Với bề mặt nhám thì phương trình (2-4) phải có dạng (2-8) và có tính đến hệ số K. Hệ số này tỷ lệ giữa diện tích bề mặt nhám và diện tích bề mặt nhẵn. K= 𝑆𝑛 𝑆𝑝 (2-7) Trong đó Sn: diện tích mặt nhám. Sp: diện tích mặt nhẵn. Từ phương trình (2-4) ta có: K.α13= K.α12+ α23.cos θ (2-8) Khi đó θ có giá trị là θ1: K.α13= K.α12+ α23.cos θ1 (2-9) Hay: K.( α13 - α12) = α23.cos θ1 (2-10) Từ phương trình (2-2) suy ra: ( α13 - α12) = α23.cos θ (2-11) Hay :
α23.cos θ = α23.cos θ1
𝐾 cos θ1 = K. cos θ (2-12)
Khi: +K<1 θ1 > θ nên độ dính ướt kém hơn.
K>1 θ1< θ nên độ dính ướt tốt hơn. Nhờ quá trình làm nhám mà diện tích dính ướt tăng lên K lần, do đó K ln ln lớn hơn 1 và góc θ nhỏ hơn nên điều kiện dính ướt tốt hơn.
2.5.2 Lực Vanderwall
Khi một phần tử hay nguyên tử va vào bề mặt kim lại, giữa chúng có lực liên kết phân tử Vanderwall. Lực này do tác động tương hỗ giữa hai momen lưỡng cực của hai phân tử hay nguyên tử. Giá trị và hướng của momen thay đổi theo thời gian và giá trị trung bình theo thời gian bằng khơng. Nếu một
nguyên tử hay phân tử có momen lưỡng cực rơi vào tường của phân tử hay nguyên tử khác cũng có momen lưỡng cực thì giữa chúng có lực tác dụng. Theo Debai thì năng lượng trao đổi giữa chúng là:
Ew= −2
3 . µ1.µ2 r06 . 1
KT (2-13)
Trong đó: µ1, µ2: momen lưỡng cực
r0 – khoảng cách giữa hai nguyên tử T – Nhiệt độ
Nếu coi kim loại như một vật phân cực hồn tồn thì có thể tính được năng lượng trao đổi theo công thức của Dzon như sau:
(2-14) Trong đó có : X – hệ số hấp thụ khí
me – khối lượng điện tử Na – Số Avogadro C – Tốc độ ánh sáng.
Cơng thức tính năng lượng trao đổi này tương ứng với bề mặt đồng nhất của kim loại. Nhưng trong thực tế cho thấy lực liên kết của những nguyên tử nằm ở chỗ lõm lực liên kết của những nguyên tử nằm trên bề mặt và những nguyên tử nằm những hố sâu còn cao hơn ở những chỗ lõm, đặc biệt lực liên kết ở những đỉnh nhấp nhô là thấp nhất. Điều này có thể giải được vì những ngun tử nằm ở chỗ lõm liên kết được nhiều hơn so với khi chúng nằm trong mạng tinh thể, do đó chúng có lực liên kết lớn hơn.
2.5.3 Lực bám dính kim loại với kim loại
Khi hai kim loại tiếp xúc với nhau, dưới ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt động, các nguyên tử của chúng khuếch tán vào mạng của nhau tạo thành vùng chuyển tiếp.
Đó là dung dịch rắn giữa hai kim loại. Khi đó giữa chúng hình thành mối liên kết kim loại. Mối liên kết này phụ thuộc vào nhiệt độ tiếp xúc và thích trạng thái bề mặt của kim loại.
Qua rất nhiều quá trình nghiên cứu và thực nghiệm, các nhà nghiên cứu đã đưa ra kết luận về độ bám dính của lớp phun với kim loại nền như sau:
- Liên kết bằng sự hàn hoặc hàn tế vi với nhau; - Liên kết bằng các phản ứng hóa học;
- Liên kết bằng lực của sự co rút kim loại khi kết tinh; - Liên kết bằng độ bám cơ học.
Độ bám cơ học biểu thị như sự giữ chặt các phần tử kim loại đập vào những vị trí nhấp nhơ của bề mặt kim loại nền. Độ bám này là nhân tố quan trọng đối với toàn bộ độ bám của lớp phun.
Khi các bề mặt không được làm sạch bụi kim loại, các oxit và bám bẩn khác, hoặc có độ nhấp nhơ khác nhau.v.v.v...thì sự liên kết hóa học hoặc cơ học cũng khác nhau. Trong những điều kiện phun thích hợp và hình thái khơng gian của bề mặt thích hợp, ở một vài kim loại có thể đạt được sự hàn ở từng thời điểm giữa kim loại nền và các phần tử phun.
Trong quá trình nghiên cứu độ bám của lớp phun kim loại với vật liệu nền bằng phương pháp phun, N.N.Rukalin đã chứng minh rằng, ở từng vùng của bề mặt có thể chia làm ba giai đoạn sau.
1- Tạo nên một mặt tiếp xúc, nghĩa là tạo nên sự dịch lại gần nhau của các nguyên tử kim loại đến một khoảng cách đủ để có tác dụng hóa học;
2- Hoạt tính và tác dụng hóa học của các ngun tử gần nhau dẫn đến dự hình thành một mối liên kết hóa học bền vững;
3- Các quá trình phục hồi ( kết tinh lại, khuếch tán tạo pha mới.v.v...) xảy ra tiếp theo có thể làm tăng hoặc giảm sức bền của mối liên kết.
Hai giai đoạn đầu biểu thị sự biến đổi bề mặt, giai đoạn ba biểu thị sự thay đổi tính chất bên trong. Để được liên kết bền vững giữa lớp phun với vật
liệu được phun thì phải thực hiện tốt hai giai đoạn đầu, cịn sự khuếch tán khơng nhất thiết phải thực hiện ở giai đoạn ba vì giai đoạn này thường do kết quả của gia cơng nóng ở nhiệt độ cao (hoặc ủ sau khi phun).
2.6 Độ xốp của lớp phủ
Độ xốp là một trong những tính chất quan trọng của lớp phủ phun nhiệt. Trong q trình phun khi các hạt chưa nóng chảy hết chúng sẽ bị đơng đặc và co ngót thể tích tạo thành các rỗ xốp tế vi. Ngoài ra, do các hạt phun sau không điền hết không gian, cũng sinh rỗ xốp, độ xốp của lớp phủ thể hiện trên hình 2.6.
Hình 2.6. Biểu diễn cấu trúc rỗ xốp của lớp phủ phun nhiệt
Tùy thuộc vào quá trình phun, phương pháp phun mà lớp phủ có thể nhận được độ xốp khác nhau, thông thường độ xốp lớp phủ đạt giá trị trong khoảng từ 0,1 đến 15 %. Độ xốp còn phụ thuộc vào việc lựa chọn tối ưu hóa các thơng số phun như: kích thước hạt kim loại phun, tốc độ phun, lưu lượng phun và khoảng cách phun. Do đó, việc nghiên cứu để làm giảm độ xốp đến giá trị thấp nhất đáp ứng nhu cầu sử dụng trong các ngành công nghiệp luôn được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm. Hiện nay, người ta đã nghiên cứu ra một số phương pháp phun nhiệt cho độ xốp thấp hơn so với các phương pháp phun khác, trong đó phương pháp phun HVOF cho độ xốp thấp nhất, do vận tốc khí tác động lên các hạt phun cao, đẩy hầu hết các túi khí tích tụ ra khỏi cấu trúc của lớp phủ [20].
2.7 Độ cứng của lớp phủ
Lớp phủ phun nhiệt có cấu trúc khơng đồng nhất, vật liệu lớp phủ có chứa oxit và rỗ xốp. Độ cứng lớp phủ có giá trị thấp hơn so với các vật liệu tương đương như đúc hoặc rèn. Khi phun các vật liệu khác nhau có thể nhận được các lớp phủ có độ cứng khác nhau [12]. Độ cứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố trước hết là phương pháp phun và khi phun cùng một phương pháp - các điều kiện phun như: chế độ công tác của đầu phun, khoảng cách phun, các tính chất vật lý của vật liệu nền, các tính chất của vật liệu phun, tốc độ cấp vật liệu phun, tốc độ di chuyển của đầu phun hay vật liệu nền. Điều này được giải thích bởi những ảnh hưởng của phương pháp phun và điều kiện phun đối với các tính chất của lớp phun như, cấu trúc, số lượng và kích thước rỗ, các tạp chất và các liên quan khác. Độ cứng của một vật liệu thường giảm đi nếu việc phun phủ được thực hiện trong mơi trường khí trơ [28]. Mặc dù q trình oxy hóa có thể làm tăng độ cứng của lớp phủ, nhưng quá trình này lại làm giảm cường độ bền bên trong của lớp phủ, do đó có thể làm giảm hiệu quả của lớp phủ. Độ cứng của lớp phủ thường được đo trên một mẫu thử nghiệm. Thông thường độ cứng các hạt tạo thành lớp phủ cao hơn độ cứng vật liệu phun, vì vậy lớp phủ có độ chịu mài mịn tốt.
2.8 Các yếu tố cơng nghệ ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ
Trong q trình phun có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ như: nhiệt độ bề mặt, tốc độ chuyển động của hạt phun, nhiệt độ của hạt phun, kích thước hạt phun, áp suất khí thổi, áp suất khí oxy, tốc độ quay của chi tiết và lượng dịch chuyển của đầu phun, lưu lượng cấp bột phun, độ nhấp nhơ bề mặt, góc độ phun, khoảng cách phun v.v… Tuy nhiên, chất lượng lớp phủ còn phụ thuộc vào loại vật liệu bột phun và vật liệu nền. Các yêu tố nêu trên có những ảnh hưởng nhất định đến chất lượng lớp phủ. Trong khuôn khổ của luận án tác giả tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến chất lượng lớp phủ như: khoảng cách phun, tốc độ trung bình dịng kim loại phun, lưu lượng cấp bột phun.