CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ BỀ MẶT - CHƯƠNG 5: PHUN PHỦ BỀ MẶT

công nghệ phun Phủ bề mặt

1
chơng 5
p h u n p hủ bề mặt
5.1. Lịch sử phát triển và phân loại
Công nghệ phun phủ bột kim loại hoặc ceramic đợc ra đời vào những năm 50 của
thế kỷ này. Ban đầu là phun bột bằng ngọn lửa đèn xì oxy-axêtylen. Đến những năm 60
ngời ta bắt đầu sử dụng plasma hồ quang. Dựa trên cơ sở tơng tự nh phun plasma hồ
quang, ngời ta sáng tạo ra nhiều công nghệ phun plasma khác nh : plasma tần số radio,
plasma áp suất thấp,
Hai nhóm phun phủ bề mặt chính hay đợc dùng hiện nay là : phun bột vật liệu
nóng chảy và phun plasma.
Trong nhóm phun vật liệu nóng chảy, khi sử dụng hỗn hợp nổ để tạo gia tốc và đẩy
bột đến bề mặt chi tiết ta có công nghệ phun nổ. Từ đây ta gọi tắt hai loại phun trong nhóm
này là : phun khí và phun nổ. Ngoài ra, khi có sử dụng năng lợng điện (hồ quang) để làm
nóng chảy vật liệu phủ ta có công nghệ phun hồ quang. Để nâng cao hơn nữa chất lợng
của lớp phủ cũng nh giảm tiếng ồn, ngời ta thiết kế ra các kiểu đầu phun siêu âm.
Trong các công nghệ phun plasma, dựa vào kỹ thuật tạo plasma, ngời ta phân ra
làm hai loại :
Plasma hồ quang, plasma hình thành do hiện tợng phóng hồ quang điện
Plasma tần số radio RF (Radio Frequancy), plasma hình thành nhờ sử dụng dòng
điện cảm ứng tần số radio (vài MHz).
Tuỳ theo chất khí sử dụng để tạo plasma (gọi là khí plasma) mà ngời ta có :
Plasma khí Ar, plasma khí N
2
, khí H
2
, , plasma hỗn hợp khí Ar+ N
2
, He+N

2
,
Tuỳ theo áp suất buồng phun mà chia ra : Plasma áp suất khí quyển, plasma áp
suất âm.
Sơ đồ phân loại các công nghệ phun phủ bề mặt nh sau :















Phun phủ bề mặt
Phun
hồ quang
Phun
nổ
Phun
siêu âm
Phun khí
Phun vật liệu nóng chảy
Phun plasma

plasma khí Ar
plasma khí N
2
Phun
trong
khí
quyển
Phun
dới
áp
suất
thấp
Phun plasma
hồ quang
Phun plasma
tần số Radio
plasma khí
công nghệ phun Phủ bề mặt

2
Ngày nay, trong kỹ thuật phun phủ, thông dụng hơn cả là phun khí : dùng hỗn hợp oxy-
axêtylen và phun plasma hồ quang dùng hỗn hợp khí Ar + H
2
.
5.2. đặc điểm cơ bản và vai trò của
các công nghệ phun Phủ bề mặt
Kỹ thuật tạo lớp phủ bằng các công nghệ phun phủ bề mặt thực chất là đa các hạt
rắn vào dòng vật chất có năng lợng cao : dòng khí cháy hoặc dòng plasma (tạo bằng hồ
quang hoặc bằng tần số radio) nhằm : tăng tốc độ hạt rắn, nung hạt nóng chảy (có thể chỉ
nóng chảy một phần), đẩy hạt nóng chảy đến bề mặt chi tiết cần phủ. Lớp phủ, do đặc

điểm hình thành, có cấu trúc dạng lớp xếp chồng chất lên nhau. Do đó các công nghệ
phun phủ bề mặt có chung đặc điểm là :
- Nguồn năng lợng cách ly với bề mặt chi tiết phủ, nhiệt độ bề mặt phủ có thể giữ ở
nhiệt độ 80 đến 100
o
C. Điều này cho phép phủ ceramic lên vật liệu polyme. Môi trờng
phun phải đợc khống chế, để không làm hỏng bột do các phản ứng hoá học, có thể nung
nóng bột lên nhiệt độ đủ cao 900-1000
o
C nhằm cải thiện độ bám dính và tăng độ xít chặt
của lớp phủ.
- Các hạt rắn dới tác dụng vật lý, hoá học của dòng phun (plasma chẳng hạn) có
thành phần và tính chất thay đổi, do đó lớp phủ nhận đợc không nhất thiết có thành phần
trùng với hỗn hợp bột ban đầu.
- Lớp phủ có cấu trúc dạng lớp do các hạt nóng chảy hoặc biến mềm đập lên bề mặt
phủ với một động năng nào đó làm cho chúng dẹt ra.
- Các vật liệu phủ, đang ở nhiệt độ cao, khi tiếp xúc với bề mặt chi tiết thì đợc làm
nguội rất nhanh. Tốc độ nguội, khi phun plasma, ớc tính khoảng 10
5
-10
7
độ/s, do đó, đối
với kim loại, có thể tạo thành các pha giả ổn định, vi tinh thể cỡ hạt khoảng 0,25-0,5 àm
hoặc vô định hình. Công nghệ phun phủ bề mặt do đó có thể xem nh bao gồm các công
đoạn : nóng chảy, đông đặc và tôi.
- Có thể tạo đợc lớp phủ cho các chi tiết phức tạp nhờ sử dụng các tay máy, ngời
máy hiện đại.
- Để tạo đợc lớp phủ, tất cả các vật liệu phun phải có nhiệt độ chảy và nhiệt độ phân
huỷ hoặc bay hơi chênh nhau ít nhất 300 độ, để vật liệu không bị phân huỷ hoặc bay hơi
hết trớc khi đến bề mặt chi tiết.

Công nghệ phun phủ có thể thực hiện đối với nhiều loại chi tiết, cũng có thể xử lý tại
chỗ, cục bộ đối với các kết cấu lớn. Nhờ lựa chọn chất phủ và công nghệ phủ thích hợp,
ngời ta có thể thực hiện công nghệ phun phủ lên các vật liệu phi kim loại nh : ceramic,
giấy, gỗ và các vật liệu polymer khác.
Sự phát triển của công nghệ phun phủ bề mặt, ngày nay đã mở rộng ra nhiều lĩnh
vực áp dụng khác nhau nh : khí động học, hạt nhân, trong cơ khí để tạo các lớp phủ
chống mài mòn, chống ăn mòn, tạo các lớp phủ trong ngành điện, lớp cách nhiệt, Ví dụ,
năm 1987, lớp phủ ceramic tạo bằng công nghệ phun plasma ở Mỹ có giá trị tài chính trên
1,2 tỷ đô la, mỗi năm tăng khoảng 12%, trong đó khoảng 75% giành cho ngành hàng
không (khoảng 256 chi tiết động cơ máy bay). Trong những năm qua, công nghệ phun
plasma đạt đợc sự tiến bộ là nhờ các tiến bộ về đo lờng các dòng hạt bằng laser.
Trong quá trình phun phủ, nhất là phun plasma, có tới 50 thông số ảnh hởng, vì
vậy việc tối u hoá không phải dễ. Ngày nay, nhờ các kỹ thuật đo lờng hiện đại, ngời ta
khẳng định rằng, chất lợng của lớp phủ phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố sau :
a- Trạng thái nóng chảy và vận tốc hạt khi đập tới bề mặt chi tiết cũng nh cấu trúc
của lớp phủ, để thay đổi, các thông số cần điều chỉnh là :
công nghệ phun Phủ bề mặt

3
. Vận tốc của hạt : lu lợng khí phun, tỷ lệ bột, khối lợng riêng, cỡ hạt của bột,
chiều dài phun
. Nhiệt độ hạt : hệ số truyền nhiệt giữa dòng phun và hạt, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu
hạt, thời gian lu của hạt trong dòng phun
. Cấu trúc của lớp phủ : vận tốc hạt, nhiệt độ hạt, bản chất, lu lợng, kích thớc và
sự phân bố hạt, vị trí đầu phun (khoảng cách phun, độ nghiêng đầu phun)
b- Phản ứng hoá học giữa hạt với dòng phun, với môi trờng. Sự phân ly của hạt do
bản chất vật liệu hạt và sự trao đổi nhiệt giữa hạt và dòng phun quyết định
c- Sự nung nóng chi tiết phủ phụ thuộc vào chuyển động tơng đối giữa đầu phun và
chi tiết, phụ thuộc vào sự tản nhiệt ra môi trờng xung quanh, quyết định cấu trúc của lớp
phủ, ứng suất và sự hình thành vết nứt trong lớp phủ

Cấu trúc và tính chất của lớp phủ phụ thuộc vào nhiều thông số, ngợc lại, một thông
số ảnh hởng đến nhiều tính chất của lớp phủ, đôi khi chồng chéo và tác dụng đối ngợc
nhau. Vì vậy, việc mô hình hoá để tìm tối u là điều rất cần thiết.
5.3. Các phơng pháp đo và mô hình hoá
5.3.1. Các điểm chung
Nh đã nêu trên, dòng phun có thể là sản phẩm cháy của khí có chứa các khí : CO
2
,
CO, H
2
O, H
2
, O
2
, N
2
, H, O, N có thể là plasma hình thành dới tác dụng của từ trờng dòng
điện một chiều, hoặc dòng điện tần số radio có áp suất nằm trong khoảng từ 6.10
3
đến
10
5
Pa. Khí plasma thờng là hỗn hợp của các khí Ar-H
2
, Ar-He và N
2
-H
2
.
Tận dụng năng lợng của hỗn hợp nổ cũng là xu hơng đợc nhiều ngời quan tâm

vì chất lợng lớp phủ cao ( xít chặt, bám dính tốt ) và phủ nhanh.
Sơ đồ làm việc của ba loại đầu phun đợc trình bày trên hình 5.1a- đầu phun khí,
5.1b- đầu phun hồ quang và 5.1c. đầu phun nổ.
Khi phun plasma, hình 5.1c., ngọn lửa phun khá dài, các đờng cong biểu thị các
đờng đẳng nhiệt và vận tốc chuyển động của dòng phun. Nhiệt độ cao nhất trên trục có
thể đạt tới 14000K.
Mật độ năng lợng của plasma hồ quang khoảng 10
2
KWh/kg khí. Bột đợc đa vào
trong ống phun ở cuối hoặc ở bên ngoài ống theo phơng vuông góc hoặc nghiêng một
chút so với trục đầu phun.
Đối với đầu phun tần số radio (RF), đờng kính plasma to hơn nhiều (20-40mm), mật
độ năng lợng trung bình nhỏ hơn đầu phun hồ quang từ 10-20 lần (khoảng 15-10 KWh/kg
khí). Bột phải đa vào tâm dòng phun để không làm đảo lộn dòng phun.
Khi sử dụng đầu phun RF, sự hình thành plasma phụ thuộc vào bản chất của khí, vào
tần số và vào công suất của đầu phun RF, vào vị trí, vào bớc cuốn của vòng cảm ứng và
cách dẫn khí trong đầu phun RF.
Khác với khi phun plasma hồ quang, khi phun plasma RF, nhiệt độ cao nhất không
quá 10.000K, vận tốc nhỏ hơn 50 m/s và gradient nhiệt độ và vận tốc khí theo phơng
pháp tuyến đều nhỏ hơn, khí dùng phổ biến là hỗn hợp Ar-He, áp dụng chủ yếu là phủ hợp
kim MCrAlY (M=Ni, Co, Ni-Co, Fe, ), phủ ceramic còn cha hoàn toàn ổn định.
Các phân tích sau dây chủ yếu dựa vào kết quả nghiên cứu đối với dòng phun
plasma, đối với dòng phun khí, do đơn giản hơn, đợc suy ra tơng tự.


công nghệ phun Phủ bề mặt

4

Hình 5.1a. Sơ đồ đầu phun khí
1- ngọn lửa phun
2- cấp bột
3- khí nén
4- khí cháy









Hình 5.1b. Sơ đồ đầu phun
plasma
1- dòng plasma
2- nớc làm nguội
3- khí plasma
4- cấp bột
5- cách điện

Hình 5.1c. Sơ đồ đầu phun nổ
1 - khí mang bột
2 - thùng chứa bột
3 - bu gi
4 - nòng phun
5 - đờng dẫn khí cháy




5.3.2 Các phơng pháp đo đạc và phân tích
2
5
3
1
4
công nghệ phun Phủ bề mặt

5
Nhiệt độ, vận tốc plasma, bột
5.3.3. Mô hình hoá quá trình phun plasma
5.3.3.1. Phun plasma
Có nhiều mô hình đợc đề ra : mô hình chảy tầng, mô hình chảy rối.
Đối với đầu phun hồ quang : chỉ cho phép thiết lập quan hệ giữa sự phân bố nhiệt độ
và vận tốc với điều kiện biết sự phân bố nhiệt độ trớc khi đa bột vào. Các quá trình điện
cực hầu nh cha có mô hình nào. Ngợc lại, đối với plasma RF, ngời ta hoàn toàn lập
đợc mô hình và dự kiến đợc sự phóng điện xẩy ra khi nào.

Ngời ta cũng đã thiết lập mô hình truyền nhiệt và trao đổi chất khi phun phủ bề mặt
từ đó xác định sự phân bố nhiệt độ trong dòng phun và trong hạt cũng nh ảnh hởng của
các thông số công nghệ đến sự phân bố nhiệt độ. Từ các kết quả này, ngời ta đã xác định
đợc các thông số hợp lý cho quá trình phun phủ bề mặt. Tuy nhiên vì phức tạp và biến đổi
theo điều kiện thực tiễn do đó các kết quả trình bày sau đây cũng chỉ để tham khảo.
5.4. Sự hình thành lớp phủ
5.4.1. Trạng thái tiếp xúc của hạt lên bề mặt chi tiết
Quá trình hình thành lớp phủ bao gồm các bớc : tạo dòng phun có năng lợng cao,
đa bột vào dòng phun, nung nóng chảy bột, phủ lên bề mặt chi tiết, đông đặc và hình
thành lớp phủ. Chuyển động của hạt trong dòng phun rất ngắn ( chỉ từ 10
-5
đến 10
-3
s) do
đó chi có thể điều khiển đợc nhờ mô hình hoá và thực hiện tự động.
Khi phun hạt lên bề mặt phẳng, tỷ lệ đờng kính phủ của hạt lên bề mặt (D) so với
đờng kính hạt ban đầu d xác định theo công thức :
D/d = k ( . V
d
. à)
0,2
(5.2)
Trong đó : là khối lợng riêng của hạt
à là độ sệt hạt khi tới bề mặt
V
d
là vận tốc hạt khi đập vào bề mặt
k là hệ số phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt, vào công nghệ phun.
Khi phun hạt Al
2

O
3
trong plasma hồ quang, khí plasma sử dụng là hỗn hợp khí Ar + 10%
H
2
, công suất 29 kW thì k = 1,29 xác định bằng thực nghiệm, khi đó D/d = 3 đến 7. Khi hạt
nóng chảy (T > To) thì à rất nhỏ do đó tỷ lệ D/d cao, cần tăng vận tốc hạt để giảm thời gian
lu của hạt và do đó giảm nhiệt độ hạt. Khi hạt đập lên bề mặt, có ba khả năng tiếp xúc
giữa hạt và bề mặt (hình 5.2.) :








Hình 5.2. Trạng thái tiếp xúc của hạt phun lên bề mặt chi tiết
a- phun dính, b- phunbám dính một phần, c- phun không bám dính (tung toé)
- Phun dính, hình 5.2a, hạt bám dính tốt lên bề mặt, thờng xẩy ra khi phun hạt lên
bề mặt trớc đó đã đợc phủ hoặc lớp phủ bám dính tốt bề mặt chi tiết.
a)
b) c)
công nghệ phun Phủ bề mặt

6
- Phun bám dính một phần, hình 5.2b, chỉ bám ở phần giữa, còn xung quanh không
bám dính cong lên nh các cánh hoa.
- Phun tung toé, hình 5.2c, các hạt có nhiệt độ quá cao khi đập lên bề mặt thì vỡ ra
làm nhiều mảnh nhỏ. Chất lợng lớp phủ do trạng thái tiếp xúc của hạt lên bề mặt quyết

định, tốt nhất là phun dính. Nhiệt luyện lớp phủ cải thiện đáng kể tính chất của lớp phủ:
tăng bám dính, tăng độ xít chặt của lớp phủ, Tuy nhiên còn một loại vấn đề cha đợc
giải quyết là: chi tiết phủ thông thờng có bề mặt bất kỳ, quá trình nguội rất nhanh của lớp
phủ (cỡ 10
7
độ.s), có ảnh hởng đến công nghệ phun cũng nh chất lợng lớp phủ.
5.4.2. Sự bám dính của lớp phủ
Sự bám dính là đặc tính quan trọng nhất của lớp phủ, cơ chế bám dính của lớp phủ
lên chi tiết nh sau:
a, Móc nối cơ học, là cơ chế bám
dính quan trọng nhất đặc biệt với lớp phủ
ceramic. Sự phun cát làm sạch bề mặt
trớc khi phủ tạo ra các nhấp nhô bề mặt
(hình 5.3.) là nơi bám dính móc nối cơ
học của lớp phủ lên bề mặt. Sự bám nối
tăng khi tăng số lợng nhấp nhô trên bề
mặt. Tuy nhiên cũng phải chú ý là khi
tăng thời gian phun cát làm sạch để tăng
số lợng nhấp nhô trên bề mặt.






Hình 5.3. Bám dính cơ học của lớp phủ
Để bám dính tốt, nh đã nêu trên, hạt phải đợc phủ dính trên bề mặt, cho nên độ
nhớt phải nhỏ và tính thấm ớt phải cao. Để bám dính tốt thì hệ số dãn nở nhiệt của lớp
phủ phải ít sai khác với vật liệu chi tiết. Đối với lớp phủ chất lợng cao, lực bám dính tối
thiểu phải từ 30-50 MPa mới đạt yêu cầu. Đối với lớp phủ ceramic lên vật liệu ceramic, lên

cacbon hoặc lên vật liệu compozit sử dụng trong nhiều lĩnh vực: hàng không, vũ trụ và hạt
nhân, còn nhiều vấn đề cần hoàn chỉnh.
b, Bám dính nhờ liên kết giữa các nguyên tử hoặc phân tử với nhau, lực liên kết
hình thành do quá trình khuếch tán tạo ra các hợp kim hoặc hỗn hợp, có độ bền nhất định.
Quá trình khuếch tán chỉ có thể xẩy ra đáng kể khi nhiệt độ bề mặt chi tiết đủ cao. Ví dụ
khi phun bột siêu hợp kim dới áp suất âm. Nhiệt độ bề mặt trong quá trình phun là 950
o
C
do hồ quang điện nung nóng. Hoặc khi phun Al lên bề mặt Ni nhờ phản ứng toả nhiệt tạo
hợp kim Al-Ni.
c, Bám dính hoá học, do ái lực hoá học của lớp phủ với vật liệu nền tạo thành các
hợp chất hoá học, ví dụ khi phủ Mo lên chi tiết thép. Do Mo có ái lực hoá học lớn với Fe
chúng phản ứng tạo thành các hợp chất liên kim nh FeMo, Fe
2
Mo. Các phản ứng này toả
nhiệt làm nóng chảy lớp vật liệu sát phía dới làm cho các phản ứng xẩy ra càng mạnh,
giữa Ni và Al cũng xẩy ra hiện tợng tơng tự này. Các hợp chất hoá học thì bền vững
nhng hay bị giòn.
Trong các cơ chế bám dính nêu trên, bám dính nhờ liên kết nguyên tử hoặc phân tử
thì cho độ bền cao nhất. Sự bám dính có thể đợc cải thiện nếu ta tạo sơ bộ một lớp ăn
chân trung gian có chiều dày từ 0,05 đến 0,2 mm có tác dụng :
- Cải thiện tính thấm ớt của hạt lên chi tiết
- Lớp chuyển tiếp để giảm chênh lệch đột ngột về hệ số dãn nở nhiệt.
- Bảo vệ bề mặt chi tiết trớc khi phủ (khỏi oxy hoá).
Các lớp trung gian ăn chân thờng đợc dùng và nhiệt độ oxy hoá tối hạn là : Mo
(315
o
C), NiAl20 (620
o
C), NiAl5 (1010

o
C), NiCr20 (1260
o
C), NiCr20Al6 (980
o
C). Các chi
tiết có lớp phủ sơ bộ phải đợc giữ nhiệt độ trớc khi phủ không đợc vợt quá nhiệt độ
công nghệ phun Phủ bề mặt

7
oxy hoá tới hạn, mặt khác cũng phải tránh các quá trình ăn mòn khác, ví dụ ăn mòn NiAl6
trong dung dịch muối. Lớp phủ trung gian quan trọng là MCrAlY (trong đó M có thể là Ni,
Co, Fe, Ni-Co, ) có tác dụng tránh va đập nhiệt (biến đổi nhiệt đột ngột) cho siêu hợp kim.
5.4.3. ứng suất trong lớp phủ
Hai loại ứng suất là : ứng suất vi mô và ứng suất vĩ mô
- ứng suất vi mô, hình thành do các tấm nhỏ co lại khi khi làm nguội (vì lớp phủ có
cấu trúc lớp, mỗi lớp do các tấm ghép lại). Các tấm nhỏ có thể nằm trên mặt tiếp xúc với
vật liệu nền có thể nằm trong lớp phủ và cấu tạo nên lớp phủ. Thông thờng các ứng suất
kéo của các tấm nhỏ tự triệt tiêu khi xuất hiện các vết nứt. Các vi ứng suất có thể sinh ra
và cân bằng trên mặt phân cách giữa lớp phủ và chi tiết, cũng có thể ở chính trong lớp phủ.
Vì thế, vi ứng suất ảnh hởng đến hệ số giãn nở nhiệt tơng đối giữa lớp phủ và nền, cũng
có thể ảnh hởng đến biến dạng của chi tiết, do đó lớp trung gian có vai trò quan trọng
trong cân bằng vi ứng suất.
- ứng suất vĩ mô, xuất hiện và cân bằng trong toàn bộ chi tiết lớp phủ. Nguyên nhân
là do hệ số co khi làm nguội của lớp phủ và chi tiết khác nhau.

a) b)
Hình 5.4. Trạng thái bề mặt và ứng suất
Đặc biệt với lớp phủ ceramic, do vật liệu ceramic chịu nén cao hơn nhiều chịu kéo, do đó
trong quá trình phủ phải tạo lớp ăn chân trớc hoặc tạo ứng suất nén lên lớp phủ. Ví dụ
làm nguội bằng nớc phía đối diện với lớp phủ, trong quá trình phủ, lớp phủ luôn chịu
ứng suất nén do đó triệt tiêu một phần hoặc hoàn toàn ứng suất kéo khi làm nguội toàn lớp
phủ, vì vậy lớp phủ không bị nứt. Điều khiển tốc độ nguội của lớp phủ bằng các biện pháp
sau :
a, Thổi lên bề mặt trớc và trong quá trình phủ bằng khí CO
2
, không khí hoặc khí hoá
lỏng.
b, Thổi khí nén vuông góc với dòng plasma sát với mặt chi tiết để dòng plasma không
trực tiếp nung nóng bề mặt chi tiết.
c, Tăng tốc độ quét đầu phun trên bề mặt chi tiết để làm giảm chiều dày phủ mỗi lần
quét, quét nhiều lần để tạo lớp phủ dày.
Ví dụ, khi phủ ZrO
2
+ 8% Y
2
O
3
(theo khối lợng) dày 0,4 mm. Nếu phun bình thờng
thì ứng suất d lớn. Nếu tìm cách để giữ nhiệt độ chi tiết và lớp phủ thấp (ví dụ phun nớc
làm nguội ở mặt đối diện) thì ứng suất trong lớp phủ là ứng suất nén và không có gì nguy
hiểm.
Đối với lớp phủ ZrO
2

, lớp ăn chân trung gian hầu nh không ảnh hởng đến ứng suất
d trong ZrO
2
, nhng lại làm giảm rõ nét tính không liên tục của ứng suất trên bề mặt phân
cách.
5.4.4. Cấu trúc của lớp phủ
công nghệ phun Phủ bề mặt

8
Do đợc làm nguội quá nhanh từ trạng thái lỏng sang trạng thái đặc (10
7
độ/s) các
hạt vật liệu có thể ở trạng thái không ổn định hoặc vô định hình. Khi đợc làm nguội nhanh
thì các hạt tinh thể rất nhỏ mịn, do đó cơ tính rất cao.
5.4.5. Đô xốp của lớp phủ
Do bản chất hình thành lớp phủ bằng phun plasma, do tốc độ làm nguội mà lớp phủ
luôn luôn có độ xốp nhất định, thờng từ 3 đến 20%. Sự hình thành các lỗ xốp trong lớp
phủ có thể hình dung trên hình 5.5. Khi các hạt nóng chảy hoàn toàn, đợc đập vào bề
mặt với vận tốc lớn thì độ xốp nhỏ. Để tăng vận tốc hạt ngời ta thiết kế các loại đầu phun
siêu âm, đầu phun công suất lớn (80 kW).

Hình 5.5. Sự hình thành lỗ xốp trong lớp phủ
a,b- hạt nóng chảy không liên kết, c- hạt không nóng chảy, d- phun tung toé
Cấu trúc của lớp phủ quyết định các tính chất cơ, điện, tính chất nhiệt lý và cuối cùng
là các tính chất sử dụng của vật liệu. Trên hình 5.6. là tập hợp các dạng khuyết tật của lớp
phủ bao gồm:
a- Không bám dính, không cấu kết giữa lớp phủ và chi tiết do đầu phun luôn di
chuyển trên bề mặt chi tiết không hợp lý.
b- Sự phân tầng
c- Nứt tế vi, hình thành do ứng suất kéo trên các tấm nhỏ tạo thành.
d- Các lỗ hổng, cơ chế hình thành nh nêu trên hình 5.5.
e- Các vết nứt vuông góc với bề mặt, do lớp phủ co lại khi làm nguội







Hình 5.6. Các dạng khuết tật của lớp phủ
f- Bọt khí nằm trong lớp phủ khi phun.
g- Hạt không nóng chảy
Để giảm các khuyết tật của lớp phủ
cần có biện pháp phối hợp : chọn loại bột
(cỡ hạt, sự phân bố cở hạt), chế độ công
nghệ phun (nhiệt độ chi tiết, lu lợng ,khí
plasma, áp suất phun, lu lợng bột, ).
Tính chất của lớp phủ ceramic, nói chung thay đổi rất ngẫu nhiên, ít chế ngự đợc,

ngợc lại lớp phủ kim loại phần nào chế ngự đợc. Ví dụ, lớp phủ MCrAlY lên siêu hợp kim,
nếu phủ trong áp suất âm, nhiệt độ chi tiết khi phủ giữ ở 950-1000
o
C. Sau khi phủ, đem
nhiệt luyện để cải thiện liên kết và khử ứng suất. Kết quả, nhận đợc lớp phủ xít chặt hơn
và cơ tính tốt hơn là không nhiệt luyện.
công nghệ phun Phủ bề mặt

9
Để cải thiện tính chất của lớp phủ ceramic thì phức tạp hơn nhiều. Vì phải ủ ở nhiệt độ
1400
o
C hàng 100h, mà đối với chi tiết, hiếm có vật liệu nào chịu đợc điều kiện này. Ngày
nay ngời ta đã phải dùng chiếu tia laser để cải thiện tính chất của lớp phủ ceramic. Lớp
phủ sau khi sử lý thì xít chặt hơn nhng lại xuất hiện nhiều vết nứt vuông góc với bề mặt.
Gần đây, đã xuất hiện lớp phủ compozit nền ceramic sợi tế vi. Sợi và nền đợc trộn lẫn và
phun cùng. Độ cứng có thể đạt 2000HV. Bề mặt chi tiết trớc khi phủ phải đợc phun cát
làm nhám với R
a
0,4 àm, nếu không, ứng suất trong lớp phủ sẽ gây nhiều vết nứt làm
bong lớp phủ.
5.5. Công nghệ phun bột vật liệu nóng chảy
Là phơng pháp đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để tạo các lớp phủ Zn,
Cd, Pb, Al, Sn, Ni, Cu, chống ăn mòn, mài mòn và trang trí. Ngoài ra, phun phủ bề mặt
còn có các tác dụng đặc biệt khác nh : tăng điện trở, sửa chữa các khuyết tật bề mặt,

Ngời ta thờng thiết kế lỗ phun có góc mở khoảng 25
o
để đảm bảo khả năng dẫn
bột tốt và ít bị không khí thâm nhập vào khi phun. Tuỳ theo loại loại khí cháy sử dụng,

ngời ta tính toán các thông số khi phun để chỉ số Râynol nằm trong khoảng thích hợp . Ví
dụ: khí cháy là H
2
thì Re là 2200, axêtylen và khí đốt thì chọn Re khoảng 8900 đến 10400 .
Bột đợc đa vào tâm của dòng phun, nhiệt độ ngọn lửa khi dùng hỗn hợp oxy-
axêtylen có thể lên tới 3200
o
C , tốc độ trung bình khoảng 150 - 160 m/s . Do đó bột đợc
nóng chảy (bột có nhiệt độ chảy cao, có thể chỉ đợc nóng chảy lớp bề mặt), đợc dòng
khí dẫn tới đập lên bề mặt tạo thành lớp phủ. Ngoài vật liệu phủ dạng bột, đối với kim loại
(Zn, Sn, ) ngời ta còn sử dụng dới dạng dây.
Ưu điểm của công nghệ phun bột vật liệu nóng chảy là :
. Có thể phủ đợc hầu hết các vật liệu có nhiệt độ chảy dới 3000
o
C.
. Tốc độ phủ nhanh (từ 8 đến 10 kg/h) hệ số sử dụng vật liệu cao (có thể đạt tới
95%).
. Có khả năng phủ cục bộ ở một phần bề mặt chi tiết, có thể phủ tại chỗ không cần
tháo lắp chi tiết.
. Dễ thực hiện, giá đầu t thiết bị nhỏ, dễ thay đổi
Nhợc điểm chủ yếu của công nghệ là :
. Chỉ phủ đợc các vật liệu có nhiệt độ chảy không cao lắm (chủ yếu là vật liệu kim
loại)
. Độ xốp lớp phủ lớn (5-25%) do đó chất lợng lớp phủ không cao lắm (độ bền
không vợt quá (5-25) MPa.
. Hiệu suất nhiệt của dòng phun thấp, chỉ đạt khoảng (2-12)%.
Khi phủ bằng phơng pháp phun bột vật liệu nóng chảy, ngời ta thờng tạo gia tốc
chuyển động cho các hạt vật liệu nóng chảy nhờ khí nén dới áp suất từ 4,2 đến 4,5 at.
Trong quá trình phun, vật liệu dạng bột đợc nung nóng nhờ sản phẩm cháy của các khí
nh : axêtylen (C

2
H
2
), khí đốt ( C
3
H
8
+ C
4
H
10
), khí mêtal (CH
4
), đốt cháy bằng oxy hoặc
khí nén. Các khí này phải đợc làm sạch dầu mỡ và ít ẩm. Khi phun, tỷ lệ lu lợng của
các khí phải nằm trong giới hạn thích hợp thì nhiệt độ mới cao, tốc độ dòng phun do đó
cũng bị hạn chế. Khi phun vật liệu nóng chảy, do chủ yếu chỉ dựa vào năng lợng của
dòng khí cho nên khi phun khí, nhiệt độ hạt, khả năng bám dính và chất lợng lớp phủ thấp
hơn khi phun plasma. Chiều dài ngọn lửa khi phun plasma cũng lớn hơn.
Nói chung, để lớp phủ đồng đều, bám dính tốt thì bề mặt chi tiết phải sạch, phẳng
và dễ bám dính lớp phủ, tốt nhất là sau khi đợc phun cát làm sạch. Vật liệu phủ có thể ở
dạng bột, dạng sợi. Năng lợng làm nóng chảy vật liệu phủ ngoài nhiệt năng do đốt cháy
các nhiên liệu khí, nếu có sử dụng năng lợng điện thì chất lợng lớp phủ tốt hơn.
công nghệ phun Phủ bề mặt

10
Khi cần tạo lớp phủ dày, thì nên phủ làm nhiều lần, mỗi lần phun với chiều dày từ
0,3 đến 0,5mm, để nhiệt độ bề mặt (T) trong quá trình phun không quá cao (T/T
f
< 0,45,

xem mục 0.7) dễ tạo thành tinh thể thô to làm xấu tính chất của lớp phủ.
Công nghệ phun bột vật liệu nóng chảy có thể thực hiện đối với Polyme. Khi phun
các hạt vật liệu Polyme sẽ nóng chảy và liên kết với lớp bề mặt hoặc lớp vật liệu Polyme
có sẵn trên bề mặt. Trớc khi phun, bột Polyme phải đợc sấy từ 5 đến 6 h ở (50-60)
o
C,
bề mặt chi tiết cũng phải đợc nung đến nhiệt độ sát nhiệt độ chảy của Polyme. Chi tiết
lớn, nếu không đa vào lò sấy đợc thì có thể dùng hệ thống mỏ đốt đặt phía trớc đầu
phun bột để nung nóng sơ bộ trong quá trình phủ. Nhiệt độ chi tiết càng đồng đều và xấp
xỉ nhiệt độ chảy của Polyme thì chất lợng lớp phủ càng cao. Trờng hợp không nung
nóng trớc bề mặt (nhất là chi tiết hình khối lớn mà không đợc trang bị hệ thống mỏ đốt
để nung nóng sơ bộ) thì phải sơn vài lớp lót ăn chân trớc khi phun. Lớp lót ăn chân
thờng là các dung môi của sơn (hay dầu sơn). Sau khi lớp lót ăn chân khô se bề mặt thì
phun ngay. Bảng 1. nêu thành phần một số hỗn hợp phun phủ polyme hay dùng :
Bảng 5.1. Thành phần một số bột phun polyme
Stt Thành phần
1 55% Polyvinylbutyran + 19,8% PEHD
*
+ 18% nhựa phenol-formadehyt + 10%
graphit
2 40% etylxenlulo + 60% sáp
3 90% polyvinylbutyran + 10% graphit
4 50% polyvinylbutyran + 23% graphit + 21 iditol + 2% urotropyl
5 33% PE + 16% PS + 15% xerezin + 30% bột Al + 6% bột Fe
6 50% PEHD + 35% PS 15% phấn chì bạc
* - PEHD- polyetylen (PE) tỷ trọng cao, PS- polystyren
Để cải thiện tính chất của lớp phủ, ngời ta còn cho thêm vào các chất độn nhằm cải thiện
các tính chất cơ học, vật lý và hoá học của lớp phủ. Đặc biệt, đa các vật liệu sợi vào để
tạo lớp phủ compozit là hớng đang đợc nhiều ngời quan tâm hiện nay.
Các khuyết tật chủ yếu của lớp phủ là : phồng rộp từng vùng và bọt khí.

Một số kiểu đầu phun và đặc tính kỹ thuật đợc nêu trong bảng 5.2.
Hình 5.1a. là sơ đồ hoạt động một loại thiết bị phun khí dùng bột. Tốc độ cực đại ở tâm
dòng phun khoảng từ 600 đến 800 m/s. Tiêu thụ khí cháy (propan (C
3
H
8
)) khoảng 7-10
m
3
/h, tiêu thụ oxy 28-40 m
3
/h, chiều dài ngọn lửa khoảng 300 mm, chiều dài phun hữu ích
khoảng 150 mm.
Bảng 5.2. Một số kiểu đầu phun khí

Ký hiệu
V
bột

dm
3

d
bột

àm
P
O2
MPa
P

C2H2

MPa
Q
O2

m
3
/h
Q
C2H2

m
3
/h
Công suất
kg/h
Hiệu
suất
%
Đầu
phun
kg
YH8.68
2 30-150 0,4 0,03-
0,05
2,2 1,7
Zn=7
polyme=11
70 1,7

YTP1-
78M
0,66 30-160 0,15 0,095 1,75 0,95 Ni=9,6
Al
2
O
3
=1,5
95-98 1,3
OAM
(Pháp)
- 30-150 - - 28-40 7-10 2-12 95-98 -

công nghệ phun Phủ bề mặt

11
5.6. Công nghệ phun nổ
Trong công nghệ phun nổ, ngời ta sử dụng năng lợng của hỗn hợp khí cháy có
nhiệt độ và áp suất cao, khi thoát ra khỏi buồng nổ, cuốn theo bột, đợc dẫn qua nòng
phun tới bề mặt chi tiết. Sơ đồ thiết bị phun nổ đợc trình bày trên hình 5.1c. Bao gồm một
nòng phun hình trụ hoặc côn loe đều với góc nhỏ, có trang bị hệ thống đóng mở supáp để
cung cấp bột, cung cấp hỗn hợp khí và đánh lửa bugi theo chu kỳ để đốt cháy hỗn hợp nổ.
Khi dùng công nghệ phun nổ, vận tốc hạt lớn và nhiệt hạt cao. Tốc độ lan truyền
của phản ứng nổ vào khoảng từ 2000 đến 4000 m/s, nhiệt độ khoảng 2200 đến 5500
o
C
(tuỳ thuộc vào hỗn hợp nổ sử dụng), do đó tốc độ hạt khi tới bề mặt có thể đạt 600-1000
m/s.
Ưu điểm của công nghệ :
. Chất lợng lớp phủ cao (độ bền lớp phủ có thể đạt từ 10 đến 160 MPa độ xốp nhỏ

(khoảng 0,5-1%).
. Phủ đợc các lớp phủ phức tạp nh: thép, Ni và hợp kim Ni không đòi hỏi làm sạch
tốt bề mặt.
. Cấu trúc của thiết bị tơng đối đơn giản.
Nhợc điểm của công nghệ.
. Gây tiếng ồn lớn (125-140 dB) do đó phải làm việc ở vùng cô lập.
. Sản phẩm nổ là: CO
2
, CO, H
2
O, H
2
, O
2
, N
2
, H, O, N dễ phản ứng với vật liệu phủ
làm xấu tính chất của lớp phủ.
. Dễ gây biến dạng hoặc phá huỷ chi tiết, nhất là trờng hợp chi tiết không đủ cứng
vững.
Chu kỳ hoạt động của thiết bị gồm các giai đoạn :
1- Điền đầy hỗn hợp nổ.
2- Định lợng và đa bột vào nòng phun ( có thể đa cùng với hỗn hợp nổ )
3- Đánh lửa để đốt hỗn hợp nổ.
4- Tạo dòng hỗn hợp cháy và bột nóng chảy phân bố đều.
5- Đẩy toàn bộ dòng hỗn hợp theo nòng phun ra ngoài.
6- Thời gian chờ khoảng 0,01s để hỗn hợp đến bề mặt chi tiết (thông thờng là thời
gian tiếp xúc giữa hỗn hợp nổ và bột)
7- Va đập giữa dòng hỗn hợp nổ và bột lên bề mặt, đẩy hết hỗn hợp cháy và bột
khỏi nòng phun. Thông thờng nòng phun đợc điền đầy khí N

2
để làm nguội. Khi nổ, tốc
độ khí trong nòng phun khoảng 2 - 3 Km /s . Khi dùng hỗn hợp nổ là oxy - axetylen tốc độ
có thể trên tới 3Km/s , nhiệt độ ở vùng nổ có thể lên tới 3300
o
C .
Bằng cách điều chỉnh hỗn hợp nổ , ngời ta có thể thay đổi đợc nhiệt độ , tốc độ
hạt khi đập lên bề mặt ( trong khoảng 600 - 1000 m/s) để nhận đợc lớp phủ mong muốn
tuỳ theo bản chất vật liệu bột sử dụng . Nhợc điểm của phun nổ là nung nóng mạnh bề
mặt chi tiết phủ dễ gây ứng suất và biễn đổi cấu trúc lớp bề mặt vật liệu nền.
Kích thớc và hình dạng chi tiết ảnh hởng lớn tới chất lợng lớp phủ. Chi tiết hình
dạng đơn giản kích thớc lớn thì dễ phủ. Ngợc lại các chi tiết phức tạp, có lỗ thì lớp phủ
khó đồng đều. Công nghệ phun nổ chỉ cho phép phủ đợc các lỗ đờng kính trên 10 mm
và chiều sâu lỗ không vợt quá 1,5 lần đờng kính.
Ngày nay, các kỹ thuật đánh lửa bán dẫn và điện tử đợc áp dụng vào thiết bị phun
nổ làm giảm nhẹ kết cấu và nâng cao hiệu suất phun nổ. Song do gây tiếng ồn và hiệu
suất sử dụng bột thấp nên việc áp dụng kỹ thuật phun nổ ngày càng bị hạn chế.

công nghệ phun Phủ bề mặt

12
5.7. công nghệ Phun Plasma
5.7.1. Plasma hồ quang
5.7.1.1. Plasma phun trong áp suất khí quyển
Nguyên lý làm việc của đầu phun đợc giới thiệu trên hình 5.7. bao gồm catôt (K) và anôt
(A) đều dới dạng hình ống. Hồ quang đợc hình thành trong dòng vật liệu chảy giữa catôt
và anôt. Dòng khí plasma có thể chảy rối hoặc chảy tầng miễn là tạo hồ quang ổn định,
tạo đợc mạch dẫn giữa anôt và sản phẩm plasma chảy trong ống anôt, thông thờng
anôt đợc làm nguội mãnh liệt bằng nớc.

Hình 5.7. Sơ đồ đầu phun plasma hồ quang
A- anôt, K- catôt, HBL- lớp giới hạn nóng, CBL- lớp giới hạn lạnh

Sự hình thành plasma có thể hình dung nh sau : ban đầu một số electron phát ra từ
các vùng hẹp nóng chảy, diện tích vùng nóng chảy này khoảng vài phần mời mm
2
ở
miệng ống catôt (catôt bằng hợp kim W-Th dạng ống). Các electron vừa hình thành, đợc
gia tốc trong điện trờng, ion hoá tiếp các phần tử khí, tạo thành plasma trải rộng dần ra
trên bề mặt catôt. Cơ chế này cho phép giải thích sự hình thành ban đầu của plasma. Tiếp
theo, plasma tiếp tục phát triển theo cơ chế :
- Khi hỗn hợp bột chuyển động tới vùng anôt, đang có hiện tợng phóng điện, sẽ xuất
hiện hồ quang điện. Hồ quang tạo thành này gọi là hồ quang sơ cấp, dới tác dụng của
hồ quang điện một số nguyên tử khí và một số nguyên tử kim loại bị ion hoá tạo thành
plasma.
- Một số điện tử bị giữ lại ở anôt và hỗn hợp plasma tiếp tục chuyển động, vì bị mất
một số electron nên plasma trở nên giầu ion dơng và do vậy lớp phủ sẽ trở thành anôt,
đợc gọi là anôt thứ cấp, anốt của đầu phun trở thành catôt thứ cấp. Hồ quang sinh ra giữa
catôt thứ cấp và anôt thứ cấp gọi là hồ quang thứ cấp. Nhờ có hồ quang thứ cấp mà ngọn
lửa plasma kéo dài ra, có tác dụng vừa nung nóng bột vừa nung nóng chi tiết do đó quá
trình xẩy ra nhanh, chất lợng lớp phủ tốt. Cơ chế này phù hợp với nhiều công nghệ phun
phủ bằng plasma hồ quang.
Bán kính điện r
o

Bán kính điện r
o
cuả dòng plasma là bán kính cột hồ quang (trong dòng (cột) plasma
luôn có các hồ quang nhỏ), xác định tại nơi có áp suất khí quyển, có nhiệt độ trên 6000K.
Bán kính điện r
o
phụ thuộc vào các yếu tố :
- Cờng độ dòng điện I (r
o
tăng khi I tăng)
- Tốc độ làm nguội ngoại biên của cột plasma
. ống anôt (hình dạng của ống, đờng kính ống, tốc độ làm nguội bằng nớc)
. Tản nhiệt của plasma : hệ số dẫn nhiệt trung bình của plasma, nh nêu trên :

H2
>
N2
>
Ar
do đó ta có r
o
Ar
> r
o
N2
> r
o
H2
với đờng kính đầu phun nh nhau.

công nghệ phun Phủ bề mặt

13
. Truyền nhiệt bằng đối lu, tuỳ thuộc vào việc dẫn khí lạnh vào trờng hồ quang, tốc
độ khí, thông thờng không đợc quá 50 m/s ở vùng lân cận catôt để không thổi mát làm
mất vùng nóng chảy. Cần tính toán tốc độ và phơng dẫn khí lạnh nh thế nào để nó
không xoáy toé ra làm giảm nhanh chiều dài cột hồ quang (cột plasma).
Bán kính điện r
o
giảm khi lu lợng khí plasma (Q
o
) tăng, khi đó điện áp cần thiết để
tạo hồ quang tăng lên. Khi hồ quang tạo thành co thắt thì trờng điện dọc trục tăng, ngọn
lửa plasma dài ra. Hơn nữa, sự co thắt hồ quang làm tăng nhiệt độ và vận tốc của plasma.
Cấu trúc của cột plasma và sự xói mòn anôt

Cấu trúc dòng phun:
Dòng plasma gồm hai phần : một phần nằm trong cột plasma (T > 6000, V > 400 m/s) có
mật độ thấp (bằng 1/10 đến 1/20 khí lạnh), phần thứ hai là khí lạnh ở vùng ngoại biên
plasma, có vận tốc nhỏ hơn nhiều (<100m/s) nhng lại có mật độ lớn hơn.
Lực tác động:
Cột plasma khi thổi ra khỏi miệng phun sẽ đẩy theo một lớp khí lạnh bao quanh cột
hồ quang (lực F1 trên hình 5.7.). Lực điện từ của hồ quang F
2
= J.B
2
. Lực ma sát F
4
, Lực
điện từ của plasma F

3
= J. B
3
đẩy chân hồ quang theo chiều ngợc với chiều phun. Tổng
hợp của các lực F
2
, F
3
làm cho plasma dao động lắc l và chân hồ quang di chuyển.
Vai trò của bán kính điện r
o
:
Khi dòng điện tăng thì đờng kính r
o
giảm và tuy xói mòn có tăng một chút, nhng bù lại,
ngọn lửa plasma dài hơn.
Tăng lu lợng khí plasma sẽ làm co thắt cột hồ quang r
o
giảm
Tăng lu lợng khí lạnh ở vùng ngoại biên plasma: đẩy chân hồ quang về phía cuối đầu
phun, kéo dài ngọn lửa plasma, tăng thâm nhấp oxy vào plasma (hình 5.8)
Cấu trúc của đầu phun loe 3
o
, phun đợc xa gấp hai lần đầu phun lỗ thẳng do tổn thất
năng lợng nhỏ hơn. Trong môi trờng Ar, tổn thất dòng phun do cuộn ra ngoài nhỏ hơn
khi phun trong không khí cho nên dòng phun xa hơn 20% (hình 5.9).

Hình 5.8. Thành phần dòng
phun plasma











Hình 5.9. Dòng plasma phụ thuộc vào hình dạng
lỗ phun

Để tăng mức độ đồng đều của dòng phun, các loại đầu phun xoáy cũng đợc nghiên
cứu. Khi các hạt rắn đa vào vuông góc với dòng plasma chúng sẽ có chuyển động xoáy
trong dòng phun do đó sự phân bố hạt đều hơn.



Tỷ lệ plasma, %

Z, mm
20
50
100
công nghệ phun Phủ bề mặt

14

5.7.1.2. Phun plasma dới áp suất thấp (LPPS)
(Low Pressure Plasma Spraying)
Đầu phun plasma áp suất
thấp hoàn toàn tơng tự nh
đầu phun plasma áp suất khí
quyển. ống phun có thêm
buồng cân bằng để duy trí áp
suất khí quyển trong đầu phun
(hình 5.10.). Từ dòng áp suất
1at. vào một buồng phun có áp
suất nhỏ, ví dụ P < 100 torr,
gây nên một sóng va đập
Mac: Số Mac là tỷ số giữa tốc
độ của sóng so với tốc độ âm
thanh nghe thấy .

Hình 5.10. Đầu phun LPPS
Cách 11 mm từ miệng đầu phun có sự thay đổi đột ngột áp suất từ khoảng 500 mbar lên
1000-1200 mbar. Nếu lỗ phun bột nằm vào vùng từ 11-15 mm thì bột có nguy cơ quay
ngợc trở lại bình chứa.
Khi áp suất trong buồng phun càng giảm thì ngọn lửa plasma càng dài, có khi dài tới 400-
500 mm (ở 50 torr). Sự phân bố nhiệt độ theo trục phun giảm rất mạnh khi tăng áp suất. 50
torr là giới hạn áp suất cho lớp phủ kim loại và hợp kim không bị oxy hoá.
5.7.2. Plasma tần số radio - RF (Radio Frequency)
Đầu phun RF sử dụng vòng cảm ứng có nhiều u điểm so với đầu phun plasma hồ
quang: vận tốc dòng plasma nhỏ nên thời gian lu bột trong dòng lớn, do đó bột có thời
gian nhận nhiệt và nóng chảy, (5-10 mili giây (ms)) ngay cả các loại bột kim loại có kích
thớc lớn. Hơn nữa bột đợc phun theo chiều trục cho nên bột phân bố đều trong plasma
và tận dụng động năng ban đầu của bột, tốc độ phủ lớn. Sơ đồ đơn giản hoá đầu phun
plasma RF đợc trình bày trên hình 5.11. Đờng kính trong của đầu phun là 70 mm, đầu
phun gồm hai lớp, giữa hai lớp đợc thổi khí làm nguội Q
3
. Tần số của dòng cảm ứng là 3
MHz, công suất lớn nhất là 50 kW. Khí plasma (Q
2
) là hỗn hợp Ar-H
2
, trong đó H
2
chiếm từ
4-8% thể tích ở ĐKTC, lu lợng khí là 97 l/ph. Bột đợc phun theo chiều trục nhờ khí
mang He, lu lợng khí mang từ 3,5 đến 12,6 l/ph. Khí bảo vệ, làm nguội đợc thổi sát
mặt trong thành ống phun, ít nhiều cũng thâm nhập vào plasma, ngăn không cho các hạt
chui ra khỏi dòng plasma.

Hình 5. 11. Sơ đồ đầu phun plasma tần số radio
1- khí mang (Q1) + bột
2- khí plasma, Q2
3- khí bảo vệ, làm nguôi, Q3
Lc- khoảng cách hữu ích
Ls- chiều dài phun
do- đờng kính trong của đầu phun



Dới tác dụng của từ trờng tần số radio RF, pha khí có hiện tợng phóng điện và hình
thành plasma, vỏ ngoài đầu phun gồm hai lớp thép không rỉ, giữa hai lớp đợc bơm nớc
l
s
l
c
Q
1
công nghệ phun Phủ bề mặt

15
tuần hoàn để làm nguội, đờng kính ngoài 250 mm, áp suất thổi là 150 torr (áp suất d).
Miệng đầu phun cách mặt chi tiết L
s
khoảng 200 mm, khoảng cách hữu ích tối thiểu để tạo
plasma là L
C
= 100. Lu lợng bột là 140 g/ph, bột sử dụng là bột Ni cỡ hạt - 90 + 44 àm.
Hệ số sử dụng bột đạt 80% phụ thuộc vào chế độ khí mang, nhiệt độ, vào bản chất của

bột. Với bột kim loại nặng, có thể nâng hệ số sử dụng lên 90% (ở 900
o
C, bột Ni). Tuy
nhiên việc sử dụng đầu phun RF còn đang đợc hoàn chỉnh, tuy vậy triển vọng đa vào
công nghiệp có nhiều hứa hẹn. Các điểm phát triển sau đây chủ yếu dựa trên plasma hồ
quang.
Sự dẫn nhiệt qua lớp bao quanh hạt là cơ chế quyết định sự trao đổi nhiệt giữa hạt và
plasma. Đối lu chỉ chiếm khoảng 10-20% lợng nhiệt trao đổi (Re < 10). Bức xạ hầu nh
không ảnh hởng đến sự trao đổi nhiệt nhất là trong khoảng nhiệt độ dới 12000K.
Gradient nhiệt độ trên lớp bề mặt khá lớn (7000-8000 độ/ 20-30 àm). Trong các khí sử
dụng thì H
2
dẫn nhiệt tốt hơn Ar do đó khi cần phủ hạt ceramic nóng chảy, hỗn hợp khí sử
dụng nên chọn loại có thành phần : khí Ar + 10 đến 20% khí H
2
. Khi tỷ lệ H
2
lớn hơn thì
phải dùng đầu phun đờng kính nhỏ, không có lợi khi phun plasma. Dùng khí He, dẫn nhiệt
nhanh mà vận tốc mang lại thấp hơn, do đó thời gian lu trong plasma lớn hơn do đó nhiệt
độ hạt cao hơn.
Lu lợng hạt có ảnh hởng lớn tới sự phân bố nhiệt độ và vận tốc đờng tâm của
plasma. Khi lu lợng bột lớn hơn 1/3 lu lợng khí plasma thì nhiệt độ và vận tốc plasma
giảm đột ngột. Thực tế lu lợng khí plasma thờng trên 3 kg/h do đó lu lợng bột lấy xấp
xỉ 1kg/h .
Hệ số dẫn nhiệt trung bình () của plasma xác định theo công thức :
1
Tp

= (s) (5.1)

T
P
- T
S


Ts

Trong đó : T
P
, T
S
lần lợt là nhiệt độ của plasma ở xa bề mặt bột và ở trên bề mặt bột
(s) hệ số dẫn nhiệt ở nhiệt độ và vị trí khảo sát.
Các yếu tố ảnh hởng tới độ dẫn nhiệt :
Trên hình 5.12. trình bày sự thay đổi hệ số dẫn nhiệt của các khí H
2
, N
2
và Ar. Ta
thấy, H
2
là khí dẫn nhiệt tốt nhất, đặc biệt là ở nhiệt độ trên 5000K (nhiệt độ phân ly H
2
). N
2

dẫn nhiệt chậm hơn, nhiệt độ phân ly cũng cao hơn (7000-8000 K). Ar là khí dẫn nhiệt kém
nhất, khi bị ion hoá thì hệ số dẫn nhiệt sẽ lớn nhng ở nhiệt độ quá cao, không đạt đợc
trong quá trình phun plasma. Khi giảm áp suất, các đờng cong dịch chuyển một chút

sang trái, theo chiều giảm nhiệt độ.




Hình 5.12. Hệ số dẫn nhiệt
của các khí plasam phụ
thuộc vào nhiệt độ và loại
khí plasma






T,K
A
r

H
2

10.000
5.000
đo thực tế
tính toán
N
2
công nghệ phun Phủ bề mặt

16
Lu lợng khí mang cần chọn tuỳ thuộc vào cỡ hạt, hạt lớn cần giảm lu lợng khí
mang để không làm đảo lộn dòng plasma.
5.7.4. Công dụng của lớp phủ
Lớp phủ không những chỉ áp dụng trong ngành hàng không mà còn đợc sử dụng
trong nhiều ngành khác nhau. Lớp phủ plasma mang lại hiệu quả kinh tế rất cao.
áp dụng trong hàng không
Trong ngành hàng không, ở Mỹ năm 1986, chiếm tới 70% ngân sách dành cho phun
plasma. Đặc biệt là các loại tua bin, lớp phủ đợc dùng chủ yếu cho các mục đích chịu mài
mòn. Bảng sau đây cho sự phân bố số lợng chi tiết phủ trong ba loại tua bin I, II, III theo
mục đích sử dụng :
Công dụng của lớp phủ I II III
Chống mài mòn 243 301 31
Cách nhiệt 59 4 1
Mục đích khác 186 289 70
Tàu lợn và các bộ phận chịu lực lớn
Đờng dẫn khí
- Lớp phủ cứng chịu mài mòn đợc phủ lên trên chi tiết chuyển động, nếu làm ngợc
lại (phủ lên chi tiết đứng yên) thì mài mòn lớn và dễ bong lớp phủ. Đối với các chi tiết làm
việc ở trên 900
o
C thì phải dùng lớp phủ ceramic. Ví dụ dùng lớp phủ ZrO
2
+ 8% Y
2
O
3
có
lớp ăn chân là MCrAlY. Hoặc dùng các gốm kim loại (MCrAlY hoặc NiCr với các hạt nhỏ
BN).

- Lớp phủ chịu xói mòn, tuỳ từng trờng hợp, ngời ta sử dụng các lớp phủ khác
nhau. Ví dụ ở nhiệt độ làm việc 800- 1200
o
C, lớp phủ đợc dùng phổ biến là Ni-gr, Al-
BN,
Cánh tua bin
Cánh tua bin làm việc trong điều kiện vừa chịu lực lớn, nhiệt độ cao, trong môi trờng
nhiên liệu cháy. Lớp phủ phải đợc chọn có đặc tính bền cơ, nhiệt (chống dão tốt, chống
mỏi nhiệt chu kỳ ngắn tốt). Muốn tăng độ bền cơ, nhiệt thì phải giảm hàm lợng Cr từ 20%
xuống 10%, tất nhiên tính chống oxy hoá ở nhiệt độ cao sẽ giảm. Bù lại ngời ta phủ một
lớp hợp kim MCrAlY với M = Fe (nhiệt độ làm việc cao nhất là 750
o
C), Ni, Co, NiCo hoặc
các hợp kim NiCoCrAlTa, NiCoCrAlYPt ở nhiệt độ cao hơn 1000
o
C (nguyên nhân, do tạo
nên lớp bảo vệ xít chặt Al
2
O
3
nhờ có một lợng nhỏ Y 1%). Lớp phủ này có thể chịu đợc
ăn mòn trong môi tờng SO
2
(do S có trong nhiên liệu tạo thành) và chống ăn mòn trong
vùng bắn toé nớc biển (nơi luôn có một lớp nớc mỏng với hàm lợng Na
2
SO
4
cao). Lớp
phủ này đợc tạo bằng phun plasma dới áp suất âm ( 60 torr) để lớp phủ không bị oxy

hoá và có thể nung chi tiết lên đến khoảng 1000
o
C. Lớp phủ nhận đợc xít chặt, chiều dày
vài trăm àm độ bám dính tốt. Do đợc nguội nhanh nên có tổ chức hạt nhỏ (cỡ hạt khoảng
0,5 àm) cơ tính cao.
Lớp phủ cách nhiệt
Ngày nay lớp phủ cách nhiệt hữu hiệu nhất là ZrO
2
+ (8-10) % Y
2
O
3
theo khối lợng
cho chi tiết làm việc ở nhiệt độ trên 950
o
C. Muốn lớp phủ bám dính tốt, nh phân tích trên,
ngời ta tạo lớp ăn chân. MCrAlY, mặt khác, còn để tăng tính chịu mài mòn của lớp phủ.
Hiện nay lớp phủ này đợc sử dụng hữu hiệu để phủ các phần cố định của cánh tua bin
chịu ứng suất kéo thay đổi do các lực hớng tâm. Nhờ có lớp phủ mà nhiệt độ thành giảm
xuống từ 50 đến 100
o
C, tăng tuổi thọ của tua bin. Lớp phủ ZrO
2
-MgO lên buồng nhiên liệu
tuổi thọ đạt 4000-8000h dùng cho máy bay vận tải hành khách.
công nghệ phun Phủ bề mặt

17
Lớp phủ tăng tính bôi trơn
Ngời ta dùng lớp phủ có cấu trúc rất xốp là các ổ chứa dầu bôi trơn.

áp dụng trong cơ khí
Ngời ta dùng chủ yếu là các lớp phủ chịu mài mòn, chịu xói mòn. Lớp phủ chịu mài
mòn thờng có độ cứng cao, chịu nhiệt tốt và chịu ăn mòn hoá học cao hay đợc dùng cho
trục cán giấy, trục cán thép, cán đồng, cánh quạt máy nén, đầu phun máy phun cát làm
sạch, cánh và thùng trộn vữa, cánh máy nén, các gioăng trong công nghiệp hoá chất. Lớp
phủ cacbit crôm (Cr
23
C
6
), lớp phủ Ni có tính chống ăn mòn và chịu nhiệt độ cao đợc dùng
cho các ống trao đổi nhiệt trên máy bay trực thăng. Lớp phủ oxit Al rất cứng (2200 HV)
dùng để phủ các tấm sấy, gioăng làm kín. Lớp phủ Al
2
O
3
- Ti dùng cho các chi tiết ngành
dệt, may, in. Lớp phủ WC chịu nhiệt đến 480
o
C, lớp TiC, Cr
23
C
6
chịu đợc 650
o
C. ở các
nhiệt độ cao hơn 650
o
C ngời ta phải dùng lớp phủ Cr
2
O

3
hoặc lớp phủ WC-Co.
Các áp dụng khác
Các bộ phận đầu phun plasma đợc phun bằng NiCrAl và lớp phủ Cu ở hai đầu để
tạo tiếp xúc điện. Lớp phủ Al trong các linh kiện điện, các mạch điện (nền Al
2
O
3
, điện trở
NiCr) cho phép dòng điện cao hơn nhiều so với vật liệu cổ điển. Lớp phủ oxyt nhôm Al
2
O
3

thờng đợc sử dụng với mục đích cách nhiệt, cách điện cho các dụng cụ của thợ điện và
các chi tiết trong máy ozôn.
Trong lĩnh vực hạt nhân, ngời ta sử dụng các loại gốm trên cơ sở Ni (chủ yếu là W
2
C
và Cr
23
C
6
). Các bua Hf và Ni đợc sử dụng đồng thời vì chúng có tính chịu mài mòn và chịu
ăn mòn rất cao, đồng thời chúng còn có đặc tính lu giữ nơtron tốt.