مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون




 

چكيده

اين مقاله جنبه هاي مختلف فرايند هاي رسوب دهي با استفاده از اسپري را مورد بررسي قرار مي دهد. با مطالعه ي اين مقاله مي توان اطلاعات خوبي در مورد رابطه ي ميان فرايند، ساختار و خواص، بدست آوريد. در ابتدا مثال هاي خاصي در مورد تكنيك هاي رسوب دهي و پوشش دهي با استفاده از اسپري بيان مي شود. با مطالعه ي اين مثال ها، جنبه هاي اصولي اين تكنيك مورد بررسي قرار مي گيرد. در ادامه مراحل فرايند رسوب دهي و پوشش دهي با استفاده از اسپري، مورد بررسي قرار مي گيرد. در اين بخش جريان اسپري و رسوب دهي با استفاده از اسپري، مورد بررسي قرار گرفته است و از بررسي تزريق اجتناب شده است. علت اين مسئله اين است كه در مورد ذرات جامد (پودرها)، تزريق مي تواند به عنوان بخشي از جريان اسپري،‌ مورد بررسي قرار گيرد. تغيير ريزساختاري و خواص حاصله در رسوبات و پوشش هاي حاصل از اسپري، در ادامه مورد بررسي قرار گرفته است. در نهايت نيز برخي از پيشنهادات مربوط به پتانسيل هاي استفاده از اين روش براي توليد پوشش هاي خاص، ارائه شده است.

مقدمه اي بر فرايند اسپري

عموما، فرايندهاي اسپري موجب افزايش مساحت سطح مواد مي شوند. اين كار از طريق شكسته شدن مواد بالك، انجام مي شود. با شكسته شدن اين مواد بالك، قطعات كوچك متعددي ايجاد مي شود. اين قطعات به صورت ذره يا قطره هستند. وقتي حرارت و جرم ميان دو فاز فيزيكي مختلف، انتقال يابد. اين انتقال در سطح مشترك ميان فازها انجام مي شود. با افزايش سطح مشترك ميان اين فازها و يا افزايش فصل مشترك، سرعت تبادل افزايش مي يابد. يك مورد مشابه، انژكتور اتومبيل است كه در آن، سوخت به صورت قطرات در مي آيد و اين كار موجب كاهش زمان مورد نياز براي تبخير سوخت مي شود. فرايندهاي بر پايه ي اسپري،‌ فرايند متفاوتي نسبت به فرايند اتفاق افتاده در انژكتور نيستند. در واقع در اين فرايندها نيز يك مايع يا يك فاز جامد قادر است سرعت هاي انتقال حرارتي را تجربه كند كه در حالت بالك نمي تواند.
فرآيندهاي بر پايه ي اسپري شامل يك گستره ي وسيع از تكنيك هايي است كه براي توليد مواد بالك يا پوشش هاي (از طريق پرتاب مواد جامد به يك هدف)مورد استفاده قرار مي گيرند. اين فرايندها زيرگروه فرايندهاي ايروسل هستند. هدف از اين مقاله، بررسي قرايند هاي رسوب دهي با استفاده از اسپري و فرايندهاي اسپري حرارتي است. فرايندهاي اسپري حالت جامد نيز به طور خلاصه توصيف شده است. اين فرايندها به طور نمونه وار از سه مرحله تشكيل شده اند:

1) پاشش فاز پراكنده شونده (اگر فاز مورد استفاده، مايع باشد، امكان اتميزه شدن يا شكسته شدن ذرات وجود دارد).
2) انتقال پاشش ايجاد شده (هم جريان اسپري و هم رسوب به سمت هدف)
3) استحكام بخشي

تكنيك هايي كه بوسيله ي آنها فاز پراكنده شونده در ميدان جريان، جوانه زني مي كنند (مثلا سنتز شعله اي) يا از محلول خاصي، رسوب دهي مي كنند (پيروليز با استفاده از اسپري يا اسپري دراير)، در اينجا مورد بررسي قرار نگرفته است. در طي چند دهه ي گذشته، اهميت اين تكنيك هاي غير تعادلي به طور قابل توجهي رشد داشته است. علت اين رشد، به دليل بازده بالا، انعطاف پذيري زياد در زمينه ي كنترل ريزساختار و فرايندهاي درجا و ميزان تأثيرپذيري اندك اين فرايندها از محيط،‌ مي باشد. اين روش ها نسبت به روش هاي متداول ديگر،‌ كمتر ضايعات توليد مي كنند و ميزان مصرف انرژي آنها نسبت به روش هايي ديگر، مانند متالورژي، كمتر است. موفقيت عملي اين روش ها نبايد اين حقيقت را پنهان كند كه اين تكنيك ها، داراي فرايند هاي پيچيده اي هستند. در واقع در اين تكنيك ها، جريان رآكتيو تربولانت و چند فازي به همراه انتقال حرارت، ايجاد مي شود. در حقيقت با وجود پيشرفت هاي بسياري كه در سال هاي اخير در اين زمينه انجام شده است، هنوز چيزهاي زيادي وجود دارد كه بايد براي آگاهي يافتن از رابطه ي ميان ساختار، خواص و فرايند، ياد گرفته شود.

استراتژي هاي رسوب دهي و پوشش دهي با استفاده از اسپري

فرآيندهاي مورد بحث در اين مقاله، از اجزاي ساختاري مشابهي استفاده مي كنند. اين اجزاي ساختاري يك فاز پراكنده شونده، يك منبع حرارتي (به غير از اسپري در حالت جامد) و يك هدف هستند. نوع منبع حرارتي در اين ادوات متفاوت است. حرارت دهي مي تواند از طريق حرارت دهي الكتريكي، القايي، احتراقي، قوس الكتريكي و ... انجام شود. همچنين در اين ادوات، سرعت جريان حامل و حالت فاز (مايع يا جامد) پراكنده شونده متفاوت است.

رسوب دهي با استفاده از اسپري

در اين بخش ما قوانين اساسي فرايندهاي رسوب دهي با اسپري را بيان كرده ايم.
اتوميزاسيون و رسوب دهي با استفاده از اسپري
فرايند هاي رسوب دهي با اسپري از ماده ي بالك آغاز مي شود. در واقع ماده ي بالك در داخل يك بوته قرار مي گيرد (شكل 1). با استفاده از اين روش امكان پوشش دهي آلياژهاي آهن، آلومينيوم، مس، منيزيم و سوپرآلياژها وجود دارد. در اين روش، مذاب به قطرات ريز تبديل مي شود و به صورت اسپري، پاشيده مي شود. اين كار با استفاده از جت هاي گاز خنثي (مانند آرگون، هليوم و نيتروژن) انجام مي شود. اين جت ها داراي سرعت مختلف هستند. اين سرعت از 50 تا 500 متر بر ثانيه متغير است. در مسير حركت اسپري تا رسيدن به هدف، قطرات بواسطه ي همرفت، انجماد نسبتا سريع، سرد مي شوند و با اتمسفر اطراف خود واكنش شيميايي مي دهد. در نهايت اين ذرات به هدف برخورد مي كنند. در حالت ايده آل،‌ اين مد نظر است كه اين ذرات در حالت نيمه جامد باشند. با برخورد ذرات به هدف، اين ذرات به صورت رسوباتي جامد در مي آيند. در هنگام حركت ذرات در اتمسفر و همچنين در هنگام برخورد ذرات با زيرلايه، اتجماد سريع ايجاد مي شود. سرعت سرمايش مؤثر كه ممكن است در رسوب دهي با استفاده از اسپري، ايجاد شود، چندين برابر سرعت انجمادي كه براي شمش فلزي استفاده مي شود. تعدادي از اين متغيرها با استفاده از اصلاح زيرلايه (چرخش زيرلايه نسبت به دستگاه اسپري)، قابل تغيير مي باشد. با استفاده از اصلاح اين بخش از دستگاه اسپري، امكان پوشش دهي اشكال مختلف زيرلايه اي مانند سيلندرها، شمش ها، صفحات و ... وجود دارد. تيوب ها، شمش ها و ديسك ها متداول ترين اشكال زيرلايه هاي مورد استفاده در پوشش دهي با اسپري است. با استفاده از زيرلايه ي متحرك، امكان توليد صفحات پيوسته يا نوارها وجود دارد.اين بد نيست كه بدانيد كه رسوب دهي با استفاده از اسپري همچنين به طور موفقيت آميز براي توليد قالب هاي فولادي با كارايي بالا، مورد استفاده قرار مي گيرد.
رسوب دهي با استفاده از اسپري، اجازه ي ايجاد ريزساختارهاي ريز را به ما مي دهد. همچنين با استفاده از اين روش، امكان توليد ساختار غير تعادلي و ايجاد محلول هاي جامد نيز وجود دارد. كنترل ريزساختار مي تواند منجر به بهبود خواص مكانيكي مواد رسوب دهي شده با اين روش، شود. براي مثال، استحكام تسليم و استحكام نهايي آلياژ آلومينيوم 2024 كه بوسيله ي فرايند اسپري كردن توليد شده است، مي تواند به ميزان 27 تا 25 % افزايش يابد. اين مقايسه نسبت به قطعات مشابهي كه با استفاده از روش متالورژي شمش (IM) توليد شده اند، انجام شده است. تخلخل يكي از دغدغه هايي است كه در هنگام توسعه ي اوليه ي فرايندهاي رسوب دهي با استفاده از اسپري، وجود داشته است اما اخيرا با بهبود فرايند، امكان حصول دانسيته اي بيش از 98 % دانسيته ي تئوري، وجود دارد. ذراتي كه در حين اسپري كردن به زيرلايه برخورد نمي كنند، هنوز هم يكي از دغدغه هاي اصلي در توسعه ي تجاري فرايند رسوب دهي با استفاده از اسپري، هستند. تحقيقات به منظور به صفر رساندن اين ذرات، هم اكنون در حال انجام مي باشد.

نورد اسپري (Spray rolling)

نورد اسپري در اصل براي توصيف فرايندي مورد استفاده قرار مي گيرد كه بوسيله ي Singer اختراع شده است. در اين فرايند، يك اسپري از قطرات فلزي مايع بوسيله ي اتوميزاسيون يك جوهر فلزي مايع، تشكيل مي شود و اسپري بر روي يك زيرلايه پاشيده مي شود و به صورت نواري جامد در مي آيد كه اين نوار سپس از يك غلطك عبور مي كند. اخيرا، يك فرايند نورد اسپري ابداع شده است كه در آن، رسوب دهي با استفاده از اسپري با ريخته گري غلطك دوتايي، تركيب شده است و از آن براي توليد صفحات و نوارهاي آلومينيومي استفاده شده است. در اين فرايند، آلومينيوم مذاب به صورت قطرات اتميزه مي شود و اين قطرات به سمت بخش ريخته گري دوقلو جهت دهي مي شود (شكل 2). بنابراين، رسوب تشكيل شده بر روي غلطك هاي چرخنده، جامد مي شوند و به صورت نوار در مي آيد. نتايج بدست آمده در مقياس آزمايشگاهي نشان داده است كه مواد اسپري- غلطك شده داراي خواص بهبود يافته اي هستند. علاوه بر اين، نورد غلطك به طور موفقيت آميز براي آلياژسازي مورد استفاده قرار مي گيرد.

رسوب دهي با اسپري رآكتيو

فرايندهاي رسوب دهي با اسپري رآكتيو مي تواند فازهاي پراكنده شونده اي را ايجاد كند كه به صورت شيميايي با جريان حامل، واكنش مي دهند. اصلاح فرايند رسوب دهي با اسپري بوسيله ي Unigame و همكارانش و Lavernia و همكارانش، انجام شده است. واكنش سطحي مي تواند الگوي اصلاح ذرات را تغيير دهد. اين كار با ايجاد فضاهاي جوانه زني اضافي،‌ انجام مي شود. ذرات پراكنده شده كه از اين واكنش ايجاد مي شوند، داراي اندازه ي دانه ي كوچكي هستند كه علت اين اندازه ي دانه ي كوچك، ميخكوب شدن مرزدانه هاست. در مورد آلياژهاي آلومينيوم، اتميزاسيون و رسوب دهي رآكتيو براي بدست آوردن ريزساختارهاي هم محور با اندازه ي دانه ي زير 18 ميكرون، مورد استفاده قرار گرفته است.

اسپري گرمايي

واژه ي اسپري گرمايي به خانواده اي از فرايندهاي پوشش دهي اتلاق مي شود كه در آن يك ماده حرارت دهي شده و با شتاب دادن ذرات حاصل از اين حرارت دهي، يك پوشش بر روي هدف يا زيرلايه تشكيل مي شود. هر فرايند اين خانواده بواسطه ي نوع فرايند حرارت دهي و روش ايجاد شتاب در ذرات، متفاوت هستند. خانواده ي اسپري حرارتي شامل اسپري شعله اي، اسپري پلاسمايي، اسپري قوس الكتريكي، اسپري با استفاده از تفنگ انفجاري (تفنگ D)، اسپري با استفاده از اكسي فيول با سرعت بالا (HVOF) و انواع روش هاي اصلاح شده،‌ مي باشد. هر كدام از اين روش هاي اسپري، نيازمندهاي سرعت و دماي را براي ماده ي مورد نظر، فراهم مي آورد. مشخصه هاي اين روش ها، در زير بيان شده است.

اسپري شعله اي

در اين روش، از گاز قابل اشتعال به عنوان منبع حرارتي استفاده مي شود و بواسطه ي احتراق اين گاز، مواد پوشش ذوب مي شود. شعله ي احتراق مي تواند با سوختن سوخت هايي مانند هيدروژن، استيلن، پروپيلن، پروپان و گازهاي مشابه، به همراه هوا يا اكسيژن، ايجاد گردد. خواص شعله به نسبت اكسيژن به سوخت وابسته است. دماي شعله نيز بسته به عوامل مختلف، از 3000 تا 3350℃ است. سرعت شعله نيز از 80 تا 100 متر بر ثانيه مي باشد. به دليل دماي قابل حصول نسبتا پايين، اسپري شعله اي براي توليد پوشش هاي پايه پليمري، بسيار مناسب است. از اين شعله به طور گسترده در رسوب دهي پوشش هاي فلزي ضد سايش استفاده مي شود. پوشش هاي توليدي با روش اسپري شعله اي نسبت به پوشش هاي توليد شده با روش هاي پلاسمايي و قوس الكتريكي، به طور نمونه وار داراي استحكام پيوند پايين تر، تخلخل بيشتر هستند و انتقال حرارت بيشتري به زيرلايه دارند. استحكام پيوند در پوشش هاي سراميكي، به طور نرمال در حدود 15 Mpa است، در حالي كه اين استحكام براي پوشش هاي فلزي بالاتر است و در حدود 30 Mpa مي باشد. استحكام هاي پيوند بالاتر (در حدود 60 Mpa) براي پوشش هاي NiAl گزارش شده است. تخلخل در اين پوشش ها معمولا در حدود 10 تا 20 % است.
براي افزايش مقاومت به سايش پوشش هاي توليدي با شعله، اسپري شعله اي اغلب با استفاده از عمليات هاي ذوب بعد از اسپري، اصلاح مي شوند. يك چنين اسپري شعله اي و فرايند ذوبي مي تواند منجر به توليد پوششي شود كه داراي قابليت كارپذيري بالاست و همچنين داراي قابليت ماشين كاري نيز هست. همچنين اعمال فرايند ذوب موجب بهبود مقاومت به سايش و خوردگي در اين پوشش ها مي شود. ساير اصلاحات انجام شده در زمينه ي اسپري شعله اي توسعه و ابداع روش اسپري شعله اي رآكتيو و اسپري شعله اي مايع مي باشد. مورد آخر مي تواند پوشش هاي فلزي توليد كند كه در آن فاز تقويت كننده ي سراميكي و بسيار ريزي در حين توليد، در داخل آن ايجاد ي شود. پوشش هاي توليدي با اين روش، داراي بهبود قابل توجهي در مقاومت به سايش و خراش هستند. اسپري شعله اي مايع (LFS) همچنين يك روش اسپري رآكتيو است كه به جاي استفاده از پيش ماده ي رآكتيو، از يك مايع به عنوان پيش ماده، استفاده شده است. به دليل تشكيل قطرات مايع با اندازه ي بسيار ريز در روش LFS، اين روش پتانسيل بهبود خواص و يكنواختي پوشش را دارا مي باشد.

اسپري پلاسمايي

در اين فرايند، ماده ي پوششي حرارت دهي مي شود و بوسيله ي پلاسما حركت داده مي شود. پلاسماي مورد استفاده در اين روش، مي تواند بواسطه ي يونيزه شدن يك گاز در تخليه ي قوس الكتريكي (معمولا در اتمسفر آرگون يا نيتروژن)، توليد شود. دماي پلاسماي مورد استفاده مي تواند به سادگي و با استفاده از افزايش جريان بيشتر از داخل آن، حاصل شود. گازها يونيزه شده نيز بر روي دماي قوس الكتريكي ايجادي اثرگذار هستند، از اين رو، براي افزايش دماي پلاسما مي توان گاز مورد استفاده را تغيير داد. دماي گاز پلاسماي خروجي مي تواند به دمايي در گستره ي6000 تا 12000℃ برسد و سرعت گاز نيز در اين حالت بين 200 تا 600 متر بر ثانيه مي باشد. به دليل دماهاي بالاي اين پلاسما، اسپري پلاسمايي به طور گسترده براي توليد پوشش هاي سراميكي و پوشش هاي فلزي مورد استفاده قرار مي گيرد. به طور خاص، اسپري پلاسمايي (APS) براي توليد پوشش هاي اكسيدي مانند پوشش هاي سد حرارتي‌ (TBC) و پوشش هاي آلومينا- 13 % وزني تيتانيا مورد استفاده قرار مي گيرد. اين پوشش ها داراي مقاومت به سايش و خوردگي هستند. استحكام پيوند پوشش هاي سراميكي توليدي با روش اسپري پلاسمايي، به طور نمونه وار در گستره ي 15 تا 25 مگا پاسكال است. استحكام پيوند پوشش هاي فلزي توليدي با روش پلاسما اسپري برخي اوقات از 70 مگاپاسكال بيشتر مي شود و اين ميزان از استحكام از پوشش هاي توليدي با روش اسپري شعله اي، بالاتر است. به دليل دماي بالاي ذرات مايع و همچنين سرعت بالاي برخورد در اين سيستم، تخلخل پوشش هاي توليدي با اين روش، كمتر از پوشش هاي توليدي با روش اسپري شعله اي است.
مقدار اكسيدي موجود در پوشش هاي فلزي توليدي با روش اسپري پلاسمايي، ذاتا اندك است. با وجود اين، اكسيداسيون مواد غير اكسيدي (مانند پوشش هاي WC/Co و NiAl) علت اين موضوع ايجاد حالت تلاطمي در گازهاي خنثايي است كه در پلاسما وجود دارد. بنابراين، براي مينيمم كردن ميزان اكسيژن موجود در پوشش، فرايند پلاسما اسپري تحت خلأ (VPS) ابداع شده است. اين فرايند گاها فرايند پلاسما اسپري با فشار پايين (LPPS) ناميده مي شود. از اين فرايند اغلب براي پوشش دهي پوشش هاي McrAlY ، استفاده مي شود. پوشش هاي McrAlY در سيستم هاي سد حرارتي كاربرد دارد و از آن به عنوان باند كوت (bond coat) استفاده مي شود. اين پوشش در بين زيرلايه ي سوپرآلياژ و زيركونياي پايدار شده با ايتريا قرار مي گيرد. استحكام پوشش هاي آلياژي رسوب دهي شده با استفاده از VPS اغلب بيشتر از 80 Mpa است زيرا در اين حالت حداقل ميزان اكسايش رخ مي دهد. يكي ديگر از متغيرهاي مهم اسپري پلاسمايي سنتي استفاده از پيش ماده هاي مايع مي باشد (مشابه پيش ماده هاي مورد استفاده در پلاسما اسپري با پيش ماده ي محلول (SPPS) و پلاسما اسپري با پيش ماده ي مايع (PSLP)). پوشش هاي سد حرارتي توليد شده با روش SPPS داراي ماندگاري فوق العاده اي هستند زيرا ريزساختارشان بهبود يافته است (شكل 3). در اين پوشش ها، چسبندگي زيركونياي پايدار شده به باند كوت افزايش يافته است.

اسپري قوس الكتريكي

اين روش همچنين با نام اسپري قوسي (AS) شناخته مي شود و تنها براي شكل دهي پوشش هاي با قابليت رسانايي الكتريكي، كاربرد دارد. علت اين مسئله اين است كه حرارت دهي قوسي با استفاده از حركت دوسيم باردار، ايجاد مي شود. اين سيم ها، الكترودهاي مصرف شونده هستند و در يك فاصله ي معين قرار دارند. اين قوس نوك هاي سيم ها را ذوب مي كند و يك گاز خنثاي فشرده به عنوان عامل اتميزه كننده در سري هاي سيمي، عمل مي كند. اين سيم هاي رسانا را مي توان از فلزات خالص، آلياژها و يا بخش هاي دو فازي، توليد كرد. سيم هاي با تركيب شيميايي غير مشابه مي تواند براي پوشش دهي شبه آلياژها استفاده كرد. ويژگي هاي متمايز AS عبارتست از:

1) سرعت هاي رسوب دهي بالا تا 55 كيلوگرم بر ساعت.
2) برخورد اندك حرارت به زيرلايه به دليل عدم برخورد مشعل به زيرلايه
3) هزينه هاي اندك به دليل ادوات مورد نياز كمتر در مقايسه با پلاسما اسپري پوشش هاي فلزي

با استفاده از سيم هاي آلياژي، امكان توليد پوشش هاي كامپوزيتي و آلياژي وجود دارد. با وجود اين، اين روش به توليد مواد با رسانايي الكتريكي محدود است.

اسپري HVOF

اين نوع اسپري همچنين تكنيك بر پايه ي احتراق مي گويند. به هر حال، اين روش نسبت به روش اسپري شعله اي، متفاوت است. علت اين مسئله اين است كه در فرايند HVOF، جريان شعله با احتراق تحت فشار (فشاري بين 3 تا 10 بار) ايجاد مي شود. با استفاده از اين روش، امكان ايجاد سرعت هايي بيش از 2000 متر بر ثانيه، وجود دارد. سرعت هاي ذرات ايجاد شده از اين شعله، در گستره ي 400 تا 650 متر بر ثانيه است. اين سرعت نسبت به سرعت هاي مشابه در فرايند اسپري شعله، اسپري پلاسمايي در هوا و اسپري پلاسمايي تحت خلأ، بيشتر است. به عنوان يك نتيجه، تخلخل ايجاد شده در پوشش حاصل از فرايند HVOF بسيار كم است (كمتر از 1 %‌). دماي شعله ي HVOF مشابه با دماي شعله ي مورد استفاده در اسپري شعله اي است. بنابراين، HVOF عموما براي استفاده براي پوشش هاي اكسيدي با دماي ذوب بالا، مناسب نمي باشد. به هر حال، در سيستم هاي HVOF ي كه تفنگ آنها در بخش بالايي قرار گرفته است، دماهاي بالايي در ذرات قابل حصول است (دماهايي در حدود 2300 درجه ي سانتيراد). در اين نوع از سيستم هاي HVOF، پودر اسپري شده به صورت محوري و مركزي به داخل محفظه ي احتراق، ‌وارد مي شود. با استفاده از اين روش، امكان توليد پوشش هاي سراميكي مانند پوشش هاي آلومينا و پوشش هاي كامپوزيتي آلومينا- سيليسيم كاربيد، وجود دارد.
دماي پايين شعله ي HVOF مي تواند به عنوان يك مزيت براي اين روش، تلقي گردد. پوشش هاي WC- Co با استفاده از روش HVOF توليد مي شود زيرا دماي پايين شعله مي تواند ميزان اكسيداسيون و دي كربوره شدن كاربيد تنگستن را كاهش دهد. اگر از روش APS براي توليد اين پوشش ها استفاده شود، برخي از بخش هاي پوشش، تشكيل نمي شود. به دليل دماي شعله ي پايين در روش HVOF، اين روش براي توليد پوشش هاي كامپوزيتي پليمري، مناسب است. در نهايت، سرعت بالاي ذرات در روش HVOF موجب مي شود تا نه تنها پوشش هاي با دانسيته ي بالا، ايجاد شود،‌ بلكه همچنين در بسياري از موارد، پوشش هاي نهايي داراي تنش هايي باشند كه از تخريب پوشش به خاطر خستگي، جلوگيري مي كند.

اسپري با تفنگ انفجار (D-Dun)

سيستم تفنگ انفجاري D-Dun شامل يك لوله ي آب گرد طويل است. پودر موجود در اين لوله ي آب گرد، با سرعت مافوق سرعت (760 تا 1000 متر بر ثانيه)، حركت مي كند. موج هاي انفجاري بوجود آمده بوسيله ي احتراق مخلوط گازي اكسيژن و استيلن موجب پديد آمدن اين حركت مي شود. اسپري D-Dun به صورت متناوب عمل مي كند اما مي توان آن را به كرات مورد استفاده قرار داد (تا 15 بار در ثانيه). سرعت و ضربه ي بالاي ذرات موجب پديد آمدن اتصال مناسبي ميان ذرات منفرد مي شود. به عنوان يك نتيجه، استحكام پيوند پوشش هاي توليدي با روش تفنگ انفجاري بيش تر از 140 مگاپاسكال است. اين استحكام تا 210 مگا پاسكال نيز مي رسد. ذرات با انرژي بالا به زيرلايه برخورد مي كنند و اين برخورد موجب پديد آمدن تنش هاي باقيمانده در لايه هاي زيرين پوشش ايجاد مي شود و اين تنش هاي باقيمانده موجب افزايش مقاومت در برابر خستگي مي شود. سختي و مقاومت به سايش پوشش هاي WC-Co اجزاي پوشش داده شده با فرايند D-Dun ويژه، بهتر از اجزاي پوشش داده شده با فرايند HVOF است.

فرايندهاي اسپري حالت جامد

اسپري حرارتي بر پايه ي انرژي حرارتي ذرات برخورد كننده كار مي كند. ذرات پرتاپ شده به طور جزئي يا كامل ذوب مي شوند و با انرژي حركتي كه دارند به زيرلايه برخورد مي كنند و تشكيل پوشش مي دهند. اين ويژگي ها برخي اوقات محدوديت هايي بر روي كارايي پوشش ايجاد مي كنند. مثلا امكان اكسيداسيون يا استحاله ي فازي در پوشش هاي تشيكل شده، وجود دارد. فرايند اسپري حالت جامد مي تواند برخي از مشكلات اين فرايند را برطرف كند. فرايندهاي اسپري حالت جامد شامل اسپري سرد، اسپري كينتيكي و فلزي كردن كينتيكي است. اين فرايندها،‌ فرايندهاي به نسبت جديدي در زمينه ي توليد پوشش، هستند و به انرژي گرمايي، وابستگي نيستند. اين فرايندها به انرژي كينتيكي حاصل از برخورد ذرات، وابسته است. ويژگي هاي اصلي فرايندهاي اسپري حالت جامد در زير توصيف شده اند.

اسپري سرد

اين تكنيك از يك جريان گاز مافوق صوت براي شتاب دادن به ذرات و پديد آوردن سرعت هاي در گستره ي 500 تا 1000 متر بر ثانيه، استفاده مي كند. اين جريان در يك بخش همگرا تمركز پيدا مي كند و سپس از يك نازل خارج مي شود. وقتي ذرات با سرعت بالا بر روي زيرلايه يا لايه ي قبلي برخورد مي كنند، تبديل انرژي كينتيكي موجب مي شود تا ذره به صورت پلاستيك تغيير شكل پيدا مي كند. اين كار موجب پديد آمدن كرنش هاي قابل توجهي در پوشش مي شود. اين تغيير شكل بزرگ موجب افزايش قابل توجه در مساحت سطح ذرات مي شود (حدود 400 %) و سطوح جديدي ايجاد مي كنند كه مستعد اكسيداسيون است. در واقع، وقتي اين سطوح فعال تحت دما و فشار بالا قرار گيرند، پيوندهاي متالورژيكي خالص تشكيل مي شود. پيوند ايجاد شده در حالتي كه هيچ مذابي تشكيل نشود، از طريق واكنش حالت جامد تشكيل مي شود. به دليل اينكه رسوب دهي در زير نقطه ي ذوب ذرات پودر، تشكيل مي شود، مواد اسپري شده تحت تغييرات ريزساختاري قرار نمي گيرند و اكسيداسيون و تجزيه ي آنها اندك است؛ در حالي كه پوشش تشكيل شده داراي تخلخل و تنش هاي گرمايي اندكي است. به هر حال، اسپري سرد براي توليد پوشش هاي سراميكي ترد و با قابليت تغيير شكل كم، مناسب نمي باشد. مهم ترين پارامتر كينتيكي براي فرايندهاي اسپري حالت جامد، سرعت ذرات قبل از برخورد با زيرلايه، است. تنها ذرات با سرعت هاي بزرگتر از سرعت بحراني، مي توانند رسوب كنند و پوشش تشكيل دهند. سرعت بحراني به نوع ماده ي پوشش دهنده، بستگي دارد. اين سرعت به اندازه ي ذرات،‌ توزيع آنها، تركيب زيرلايه و زاويه ي بين تفنگ و زيرلايه، نيز بستگي دارد. بسياري از مواد مانند مس، آهن، نيكل، آلومينيوم، تيتانيوم، كامپوزيت هاي كاربيد تنگستن- كبالت، كامپوزيت هاي آلومينيوم- آلومينا و آلومينيوم- سيليسيم كاربيد، از طريق اسپري سرد توليد مي شوند. تمام اين پوشش ها با استفاده از پودرهاي اوليه اي با اندازه ي زير 50 ميكرون، توليد مي شوند. علت استفاده از اين اندازه ي ذره اي براي پودرهاي اوليه، اين است كه بازده رسوب دهي براي ذرات بزرگتر از 50 ميكرون در اسپري سرد، تقريبا صفر است.

اسپري كينتيكي

براي تشكيل پوشش از ذرات با اندازه ي بزرگتر از 50 ميكرون، شكل نازل مورد استفاده در فرايند اسپري سرد، اصلاح شده است. اين شكل اصلاح شده موجب كاهش سرعت بحراني مي شود به نحوي كه با وجود اندازه ي ذره ي بزرگتر در اين مواد، پوشش دهي شروع مي شود و بازده پوشش دهي افزايش مي يابد.

فلزي كردن كينتيكي

اسپري سرد و اسپري كينتيكي، از نازل هاي فراصوت استفاده مي كنند، در حالي كه در فرايند فلزي كردن كينتكي، از نازل هايي استفاده مي شود كه داراي سرعت صوت هستند. اين نازل از تركيب يك نازل فراصوت و يك نازل تخليه ي خروجي،‌ تشكيل شده است. نازل داخلي ذرات پودر را به صورت تريبوالكتريكي، باردار و شتاب داده مي شود، در حالي كه نازل خارجي به صورت مانيكي و ديناميكي به نازل داخلي متصل شده است و با مزدوج شدن اين دو نازل،‌ امكان خروج جرياني با فشار كمتر از فشار معمولي، وجود دارد. يك چنين نازلي به ذرات اجازه مي دهد تا با سرعت هايي بين 500 تا 1000 متر بر ثانيه و در فشارهايي در حدود 0.35 تا 0.7 مگاپاسكال، حركت كنند، در حالي كه نازل هاي اسپري سرد فراصوت، نيازمند فشارهايي در گستره ي 2.1 تا 3.45 مگا پاسكال هستند. اين مسئله بدين معناست كه فلزي كردن كينتيكي نسبت به اسپري سرد، اسپري كينتيكي و HVOF هزينه ي كمتري دارد.


/ج