การพ่นเคลือบด้วยความร้อน

การพ่นเคลือบด้วยความร้อน (Thermal spraying techniques) คือกระบวนการพ่นเพื่อเคลือบพื้นผิวของวัสดุใดๆ ด้วยวัสดุร้อน หรือวัสดุหลอมเหลว หรือวัสดุกึ่งหลอมเหลว วัสดุที่เป็นวัตถุดิบของผิวเคลือบได้รับความร้อนจากกระแสไฟฟ้า (ในรูปของ plasma หรือ arc) หรือการเผาไหม้ทางเคมี (combustion flame) เมื่อวัสดุดังกล่าวถูกพ่นตกกระทบลงบนพื้นผิวจะเกิดการแข็งตัวอย่างรวดเร็วเกิดเป็นผิวเคลือบ มีลักษณะเป็นแผ่นๆ ซ้อนทับกันเรียกว่า Lamellar Structure

Plasma Spraying Process

การพ่นเคลือบด้วยความร้อนสามารถให้ความหนาของผิวเคลือบได้ตั้งแต่ประมาณ 20 ไมโครเมตร จนถึง หลายมิลลิเมตร ซึ่งขึ้นอยู่กับกระบวนการพ่นและคุณสมบัติของวัสดุที่นำมาใช้เป็นผิวเคลือบ การพ่นเคลือบด้วยความร้อนนี้สามารถเคลือบผิวที่มีขนาดใหญ่ได้ด้วยอัตราการเคลือบที่เร็วเมื่อเทียบกับวิธีการเคลือบผิวอื่นๆ เช่น electroplating, physical and chemical vapor deposition เป็นต้น

สิ่งที่สามารถนำมาใช้เป็นผิวเคลือบมีทั้ง โลหะ, โลหะผสม (alloy), เซรามิก, พลาสติก, และวัสดุผสม (composites) ซึ่งวัสดุเหล่านี้ผลิตมาในรูปของผงหรือเส้นลวด ในการพ่นเคลือบวัสดุเหล่านี้จะได้รับความร้อนจากการเผาไหม้ทางเคมี หรือการกระตุ้นด้วยกระแสไฟฟ้า ทำให้วัดสุอยู่ในสภาพหลอมเหลว หรือกึ่งหลอมเหลว แล้วถูกพ่นออกไปเป็นละอองอนุภาคระดับไมโครเมตร

การวัดคุณภาพของผิวเคลือบทำโดยการตรวจวัดความพรุนหรือปริมาณของรูพรุนของผิวเคลือบ, ตรวจวัดปริมาณออกไซด์, ตรวจวัดความแข็งมหภาค และความแข็งจุลภาค (macro and micro-hardness), ตรวจวัดความแข็งแรงของการยึดเกาะ (bond strength), ตรวจวัดความหยาบของพื้นผิว เป็นต้น

ในบางครั้งกระบวนการพ่นเคลือบต้องอาศัยแขนกลเข้ามาช่วยในการยึดจับหัวปืนพ่น เนื่องจากกระบวนการสร้างเสียงดัง และความร้อนสูง ทำไห้ใช้คนถือหัวพ่นได้ไม่สะดวก อีกทั้งการใช้แขนกลยังช่วยให้การกระจายของผิวเคลือบเป็นไปอย่างสม่ำเสมอกว่า

Thermal Spray with Robot Arm

ชนิดของกระบวนการพ่นเคลือบด้วยความร้อน

• Plasma spraying
• Detonation spraying
• Wire arc spraying
• Flame spraying
• High velocity oxy-fuel coating spraying (HVOF)
• Warm spraying
• Cold spraying

ประโยชน์

ผิวเคลือบที่ได้จากกระบวนการพ่นเคลือบด้วยความร้อนสามารถนำมาใช้ประโยชน์ในเรื่องการป้องกันความเสียหายที่จะเกิดขึ้นกับตัวชิ้นงาน จากสภาพแวดล้อมหรือ สภาพการใช้งาน โดยทั่วไปผิวเคลือบจะเป็นส่วนที่เสียหายแทนเนื้อวัสดุของชิ้นงานที่ผิวเคลือบนั้นเคลือบไว้ ซึ่งจะทำให้ชิ้นงานมีอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น

นอกจากนี้กระบวนการพ่นเคลือบด้วยความร้อนยังสามารถใช้ในการซ่อมบำรุงชิ้นงานต่างๆ ได้ด้วย เช่นชิ้นงานที่สึกหรอจากการเสียดสีขณะใช้งานเมื่อถึงกำหนดซ่อมบำรุง ก็สามารถใช้กระบวนการพ่นเคลือบด้วยความร้อนพ่นเนื้อวัสดุลงไปเติมเต็มส่วนที่สึกหรอได้

อุปกรณ์

โดยทั่วไประบบของการพ่นเคลือบด้วยความร้อนประกอบด้วยอุปกรณ์ดังต่อไปนี้

• หัวทอร์ชสำหรับพ่น (Spray torch) หรือปืนสำหรับพ่น (spray gun) - เป็นอุปกรณ์หลักสำหรับหลอมเหลวและเร่งความเร็วของอนุภาคของวัสดุที่ปล่อยออกมาเพื่อจะไปพ่นเคลือบ
• ตัวจ่าย (Feeder) - อุปกรณ์สำหรับจ่ายวัสดุที่จะมาหลอมเป็นผิวเคลือบที่อยู่ในรูปของผง เส้นลวด หรือของเหลว โดยจ่ายผ่านท่อไปสู่หัวทอร์ช
• ตัวจ่ายสื่อนำพา (Media supply)- อุปกรณ์สำหรับจ่ายแก็สหรือของเหลวสำหรับสร้างเปลวหรือลำพลาสมาสำหรับพ่นหรือแก็สสำหรับนำพาผงวัสดุผิวเคลือบในระบบ
• แขนกล (Robot) - อุปกรณ์ที่ให้หัวทอร์ชมายึดจับ พาให้หัวทอร์ชเคลื่อนที่ในรูปแบบต่างๆ ตามที่ต้องการในขณะพ่นเคลือบ (ในการพ่นเคลือบบางประเภท หรือการออกแบบบางประเภท ไม่มีส่วนของแขนกล ผู้ใช้งานเป็นผู้ถือหัวทอร์ชโดยตรง)
• ตัวจ่ายไฟ (Power supply) - อุปกรณ์สำหรับจ่ายกระแสไฟฟ้าหล่อเลี้ยงการทำงานของระบบ
• แผงควบคุม (Control console) - แผงสำหรับให้ผู้ใช้งานควบคุมการทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ อาจจะอยู่ในรูปแยกชนิดกัน หรือรวมทุกอุปกรณ์มาควบคุมในแผงอันเดียวกันก็ได้ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับผู้ผลิต

กระบวนการ

กระบวนการพ่นเคลือบพลาสม่า (Plasma spray process)

การพ่นเคลือบพลาสม่า ในสภาพสูญญากาศ (Author: Matthias Zepper)

ในกระบวนการพ่นเคลือบพลาสม่านั้น วัตถุดิบผิวเคลือบโดยทั่วไปอยู่ในรูปแบบผง แต่ก็มีบางประเภทอยู่ในรูปของเหลว หรือขดลวด ซึ่งวัตถุดิบของผิวเคลือบเหล่านี้จะถูกป้อนเข้าสู่ลำพลาสม่า ที่ออกมาจากหัวพ่นหลาสม่า เปลวพลาสม่านี้มีอุณหภูมิสูงได้ถึง 10,000 K ทำให้วัตถุดิบผิวเคลือบหลอมละลายแล้วถูกพ่นไปยังชิ้นงานที่ต้องการให้ถูกพ่นเคลือบ หยดของผิวเคลือบเหลวที่ตกกระทบลงบนผิววัสดุจะเกิดการยึดเกาะและแข็งตัวอย่างรวดเร็วกลายเป็นผิวเคลือบ คุณสมบัติของผิวเคลือบที่ได้เป็นผลมาจากปัจจัยต่างๆ หลายปัจจัยที่เกิดขึ้นในกระบวนการ เช่น ชนิดของวัตถุดิบผิวเคลือบ อัตราการไหลของแก๊สพลาสม่า ปริมาณพลังงานที่ป้อนเข้าสู่ระบบ ระยะห่างระหว่างหัวพ่นและชิ้นงาน และอัตราการเย็นตัวของผิวเคลือบ เป็นต้น

สำหรับแก๊สที่ใช้เพื่อสร้างพลาสม่านั้นมีหลายชนิด เช่นอาร์กอน ไนโตรเจน ไฮโดรเจน หรือฮีเลี่ยม เป็่นต้น ซึ่งแก๊สแต่ละชนิดจะให้พลาสม่าที่มีความสามารถในการสร้างความร้อนแตกต่างกัน และราคาก็แตกต่างกันอีกด้วย

กระบวนการพ่นเคลือบลวดอาร์ก (Wire Arc spray process)

กระบวนการพ่นเคลือบลวดอาร์กเป็นรูปแบบหนึ่งของกระบวนการพ่นเคลือบด้วยความร้อน โดยใช้ลวดโลหะสองเส้นเป็นวัตถุดิบผิวเคลือบ ป้อนเข้าสู่หัวพ่น จ่ายกระแสไฟฟ้าให้แก่ลวดเพื่อให้เกิดการอาร์กขึ้นที่ปลายลวดทั้งสองที่ตำแหน่งปลายกระบอกปืนพ่น ความร้อนจากอาร์กที่เกิดขึ้นทำให้ปลายลวดทั้งสองเส้นหลอมละลาย และลวดวัสดุผิวเคลือบที่หลอมละลายนี้ถูกอากาศความดันสูงที่ต่อเข้ามาที่หัวพ่นพัดพาออกไปตกที่ผิวชิ้นงานที่ต้องการให้ถูกเคลือบ เกิดเป็นผิวเคลือบต่อไป

กระบวนการพ่นเคลือบเปลวไฟ (Flame spray process)

กระบวนการนี้ใช้เปลวไฟจากการเผาไหม้อะเซติลีนหรือส่วนผสมระหว่างออกซิเจนและไฮโดรเจน วัตถุดิบผิวเคลือบจะถูกป้อนเข้าสู่หัวพ่น และหลอมเหลวโดยเปลวไฟ จากนั้นอนุภาคผิวเคลือบจะถูกขับดัน พาไปตกบนผิวชิ้นงานที่ต้องการได้รับการเคลือบด้วยอากาศที่มีความดันสูง วัตถุดิบผิวเคลือบมีทั้งแบบผงและขดลวด

Flame Spray process

ข้อจำกัดของกระบวนการพ่นเคลือบด้วยความร้อน

กระบวนการพ่นเคลือบโดยทั่วไปมีข้อจำกัดเรื่องเส้นทางการเดินทางของอนุภาคผิวเคลือบที่พ่นออกมาจากปลายกระบอกปืนที่เดินทางเป็นเส้นตรง ดังนั้นหากพื้นผิวที่ต้องการได้รับการเคลือบถูกบังด้วยวัตถุอื่น จะทำให้ไม่สามารถพ่นเคลือบได้

คุณสมบัติและการทดสอบ

เครื่องวัดความแข็ง Vicker Hardness (author: Tariqabjotu)

• ความแข็ง

การทดสอบมีทั้งทดสอบความแข็งมหภาค (Macro Hardness) ที่เป็นการทดสอบด้วยการกดหัวทดสอบตั้งฉากกับผิวชิ้นงานที่มีผิวเคลือบอยู่ชั้นบน โดยมากใช้ Rockwell Scale และการทดสอบความแข็งจุลภาค (Micro Hardness) ที่เป็นการทดสอบโดยกดหัวทดสอบลงบนภาคตัดขวาง (Cross Section) ของชิ้นงานที่มีผิวเคลือบเคลือบอยู่ โดยมากใช้ การทดสอบ Vickers Hardness ข้อควรระวังสำหรับการทดสอบความแข็งแบบมหภาคคือ ผิวเคลือบมีความหยาบสูงเมื่อเทียบกับผิวดลหะทั่วไป เช่นโลหะหล่อ หรือผิวจากการ machine ดังนั้นจึงควรทำให้ผิวมีความเรียบก่อนทดสอบความแข็ง และข้อควรระวังอีกข้อหนึ่งคือ หากผิวเคลือบมีความหนาน้อยเกินไป ความแข็งที่วัดได้อาจจเป็นค่าที่รวมเอาผลกระทบจากความแข็งของชิ้นงาน (substrate) ด้านล่างอยู่ด้วย

• ความเค้นตกค้าง

• ความสามารถในการยึดเกาะและต้านทานแรงดึง

• ความสามารถในการต้านการกัดกร่อน

• ความสามารถในการต้านทานการสึกหรอ

ความปลอดภัย

ในการทำงานหรือใช้งานกระบวนการพ่นเคลือบด้วยความร้อน ผู้ปฏิบัติงานจะการปฏิบัติจามขั้นตอน และตรวจสอบว่าอุปกรณ์ว่าอยู่ในสภาพที่ดี สำหรับงานภาคอุตสาหกรรมนั้นโดยทั่วไปมีการออกแบบให้ระบบการทำงานเป็นแบบอัตโนมัติ ภายในห้องมีระบบจัดการไอและก๊าซต่างๆ ที่ออกมาจากกระบวนการพ่นเคลือบ มีฉนวนที่ช่วยลดเสียง และผนังที่ป้องกันสายตาจากการเห็นเปลวความร้อนที่มีความเข้มแสงสูง หากไม่เป็นระบบอัตโนมัติและใช้คนเกี่ยวข้องกับกระบวนการพ่นเคลือบโดยตรงเช่น ใช้มือถือปืนพ่นเคลือบ จะมีอุปกรณ์ป้องกันเพื่อความปลอดภัย เช่นชุดกันความร้อน หน้ากากกรองก๊าซ ถุงมือ แว่นกรองแสง เป็นต้น และมีการอบรมความปลอดภัยแก่ผู้ปฏิบัติงาน

• เสียง

อุปกรณ์ในกระบวนการพ่นเคลือบด้วยความร้อนมีการใช้ก๊าซที่มีการอัดความดันซึ่งทำให้เกิดเสียงดังขณะปฏิบัติงาน ระดับความดังขึ้นอยู่กับประเภทของกระบวนการ ชนิดของวัสดุที่พ่นเคลือบ การปรับตั้งค่าอุปกรณ์ โดยทั่วไปการวัดความดังทำที่ตำแหน่ง 1 เมตรด้านหลังของเปลวความร้อนหรือปลายกระบอกปืน

• แสง UV

กระบวนการพ่นเคลือบชนิดที่มีการเผาไหม้ทำให้เกิดเปลวที่มีความสว่างสูงมาก และมีอุณหภูมิสูงได้ถึง 3100°C ส่วนกระบวนการพ่นเคลือบที่ใช้กระแสไฟฟ้าสร้างเปลวอาร์คนั้น ก็มีการปลดปล่อยแสง UV ออกมาซึ่งสามารถทำอันตรายต่อเนื้อเยื่อของร่างกายคนได้

ห้องที่มีการพ่นเคลือบด้วยความร้อนควรล้อมรอบด้วยกระจกมืดที่สามารถดูดซับแสง UV ได้ หากไม่มีการติดตั้งกระจกป้องกันนี้ ผู้ปฏิบัติงานและผู้อยู่ในบริเวณใกล้เคียงจะสวมอุปกรณ์ป้องกันสายตา ระดับ BS grade 6 green glass

• ฝุ่น ควัน ไอระเหย

การแตกตัวเป็นไอออนของวัสดุผิวเคลือบที่หลอมเหลวทำให้เกิดฝุ่นและไอระเหยขนาดเล็ก (น้อยกว่า 100 นาโนเมตร) จำนวนมาก อุปกรณ์สำหรับดูดฝุ่นและไอระเหยนี้มีความสำคัญอย่างมาก นอกจากสำคัญต่อความปลอดภัยของผู้ปฏิบัติงานและ ยังดีต่อผิวเคลือบคือ ช่วยป้องกันการจับตัวเป็นก้อนของฝุ่นผงและไอระเหยเหล่านี้บนผิวเคลือบที่พ่นเสร็จแล้ว

• การระเบิด

การพ่นเคลือบชนิดที่มีการเผาไหม้เชื้องเพลิงและแก๊สออกซิเจน มีความเสี่ยงต่อการเกิดการระเบิด โดยเฉพาะอย่างยิ่งกรณีที่ใช้ แก๊สอะเซติลีนเป็นเชื้อเพลิงจึงมีการควบคุมดูแลสภาพการใช้งานให้เหมาะสมตามมาตรฐาน

• การถูกไฟช็อต

ปืนพ่นชนิดอาร์คกระแสไฟฟ้า โดยทั่วไปใช้ไฟฟ้าแรงดันไม่สูง คือไม่เกิน 45 Volt แต่กระแสที่ใช้นั้นมีค่าสูง มักมีอุปกรณ์แปลงกระแสไฟฟ้าแรงดันสูง ให้เป็นกระแสไฟฟ้าแรงดันต่ำ กระแสสูง ซึ่งอาจก่อให้เกิดอุบัติเหตุที่ทำให้บาดเจ็บรุนแรง หรือเสียชีวิต