2.2.1 Quá trình chảy và sự phân tán kim loại phun
Khi dịng khí vận chuyển vật liệu phun nóng chảy ra khỏi miệng súng phun, các giọt nóng chảy có áp suất cao tiếp xúc với khí quyển có áp suất thấp, làm áp suất bên trong các giọt nóng chảy bị giảm đột ngột và chúng
bung ra thành nhiều hạt nhỏ dạng sương mù, theo nguyên lý tạo hạt phun. Sự phân tán của các giọt kim loại dưới tác dụng của áp suất và nhiệt độ khí tùy thuộc vào áp lực dịng khí cháy và đường kính của miệng phun.
2.2.2 Quá trình bay các hạt
Tồn bộ q trình bay của các hạt từ lúc hình thành giọt kim loại đến khi va đập trên bề mặt vật phun xảy ra rất ngắn ( khoảng 0,002 ÷ 0,008 giây). Trong quá trình bay của các hạt chủ yếu chỉ xẩy ra sự oxy hóa, do vậy các phần tử phun kim loại bị bao bọc bằng một lớp oxit, lớp này sẽ lớn dần lên theo khoảng cách bay.
Các hạt kim loại chảy lỏng di động trong luồng khơng khí nén có tốc độ rất lớn. Ngồi ra các phần tử cịn bị ảnh hưởn của rất nhiều yếu tố, biểu hiện ở những phản ứng không đồng nhất. Khi phun kim loại cần lưu ý những vấn đề sau.
1/ Các hạt kim loại bay ra ở trạng thái lỏng hay trạng thái đông đặc. 2/ Các phần tử phun luôn bị thay đổi tốc độ bay trong trường gia tốc. 3/ Các hạt luôn phản ứng với môi trường xung quanh chứa oxy, nitơ, hydro, hơi nước và các thành phần hóa học khác.
4/ Khả năng hịa tan khí phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và áp lực riêng của nó.
2.2.3 Sự hình thành lớp phun
Quá trình hình thành lớp phun bằng phun kim loại tương đối phức tạp. Trên cơ sở thực nghiệm người ta xác định rằng: các phần tử kim loại trong thời điểm va đập lên bề mặt vật phun ở trạng thái lỏng và bị biến dạng rất lớn.
Để hiểu được sự hình thành lớp phun cần chú ý tới các hiện tượng xẩy ra khi va đập của các phần tử lên mặt ( vật liệu nền ), cụ thể là hai vấn đề sau:
-Thứ nhất là động năng của các phần tử va đập lên bề mặt phun gây biến dạng rất nhanh và mạnh. Năng lượng này được xác định bằng tốc độ của các phần tử và khối lượng của chúng
𝐸𝑘 = 1
Bởi vậy, các phần tử có độ lớn khác nhau sẽ có động năng khác nhau (khi chúng có cùng một tốc độ). Tốc độ bay của các phần tử là yếu tố chính để xác định sự biến dạng của các phần tử. Amold đã tính tốn tốc độ cần thiết cho một vài kim loại khi va đập lên bề mặt
chi tiết phun theo chương trình:
𝑚.𝑉2
2𝑥427 = C.(𝑡2-𝑡1) + S (2-2) Ở đây m = 𝐺
𝑔; khi G = lg thì tốc độ cần thiết cho việc tan vỡ khi va đập là:
V= 91.√𝐶. (𝑡1− 𝑡2) + 𝑆 (2-3) Ở đây:
+ m: khối lượng của phần tử phun
+ V: tốc độ của các phần tử khi va đập, m/giây + C: tỷ nhiệt, calg-10C-1
+ 𝒕𝟏 : nhiệt độ chảy của các phần tử kim loại, 0C + S: ẩn nhiệt cal/g
- Thứ hai là khả năng biến dạng của các phần tử. Lớp oxit trên bề mặt các phần tử có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất này. Điều cần khẳng định là tại thời điểm va đập lớp oxit phải là lỏng. Như vậy, trong trường hợp nay không thể giữ được sự biến dạng của các phần tử và ngược lại, ở các phần tử có lớp vỏ cứng; khả năng biến dạng của nó chủ yếu xác định bằng lớp vỏ bọc này.
- Khả năng biến dạng của phần tử thép với lớp màng mỏng oxit ở trạng thái lỏng phụ thuộc vào sự biến dạng của các phần tử trước nó khơng kết thúc ngay mà còn tiếp diễn do tác dụng của các phần tử sau, giống như tác dụng của quá trình rèn. Sự biến dạng của các phần tử xảy ra rất nhanh. Bởi vậy, khi các phần tử sau va đập lên các phần tử trước thì các phần tử này còn ở trạng thái lỏng hoặc trạng thái sệt, do đó giữa chúng dễ dạng xảy ra sự liên kết với nhau.
2.3 Tính chất của lớp phun
Trong lớp phủ phun nhiệt tồn tại oxit và độ xốp. Trong quá trình bay từ súng đến bề mặt nền, các hạt có sự tương tác hóa học và vật lý với mơi trường xung quanh. Lớp phủ phun nhiệt được cấu tạo gồm các lớp mỏng có đường biên nằm song song với bề mặt nền. Mỗi lượt phun thường có từ 5 đến 15 lớp mỏng, tùy thuộc vào các thông số phun (lưu lượng cấp bột phun, khoảng cách phun, kích thước hạt bột phun, tốc độ di chuyển của đầu phun)
Các điều kiện hình thành biên liên kết giữa các lớp và giữa các hạt được xác định bởi khoảng thời gian chúng tồn tại trong khí quyển.
Trong khi phun, thời gian tương tác giữa các hạt với môi trường xung quanh rất ngắn, sau đó bị đông đặc và nguội đi nhanh chóng làm mất khả năng tương tác. Do thời gian ngắn như vậy nên q trình khuếch tán khơng sâu và ít ảnh hưởng tới độ bám của hạt. Sự gắn kết của hạt với nền, chủ yếu phụ thuộc vào mức độ liên kết vật lý, mà biểu hiện bề ngồi của nó là sự xuất hiện những khoảng bám dính trên mặt tiếp xúc. Sự hình thành lớp phun là quá trình xếp vơ số và liên tiếp các hạt phun bị biến dạng lên bề mặt nền, khi các các hạt phun tiếp xúc với nhau hoặc tiếp xúc với bề mặt mà khơng điền đầy khít khơng gian sẽ gây ra hiện tượng rỗ xốp trong lớp phủ. Quá trình tiếp xúc vật lý không hạn chế sự tương tác bởi vì dưới tác động xung lực thì các hạt nóng chảy sẽ nhanh chóng bị dàn mỏng ra và bị ép vào mặt lớp nền. Dưới đây là hình ảnh về hình thái của lớp kim loại mỏng va đập trên bề mặt kim loại nền được biểu diễn trong hình 2.2, sơ đồ mặt cắt cấu trúc tế vi của lớp phủ phun nhiệt được thấy rõ.