การพ่นเคลือบด้วยความร้อน

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี

การพ่นเคลือบด้วยความร้อน (Thermal spraying techniques) คือกระบวนการพ่นเพื่อเคลือบพื้นผิวของวัสดุใดๆ ด้วยวัสดุร้อน หรือวัสดุหลอมเหลว หรือวัสดุกึ่งหลอมเหลว วัสดุที่เป็นวัตถุดิบของผิวเคลือบได้รับความร้อนจากกระแสไฟฟ้า (ในรูปของ plasma หรือ arc) หรือการเผาไหม้ทางเคมี (combustion flame) เมื่อวัสดุดังกล่าวถูกพ่นตกกระทบลงบนพื้นผิวจะเกิดการแข็งตัวอย่างรวดเร็วเกิดเป็นผิวเคลือบ มีลักษณะเป็นแผ่นๆ ซ้อนทับกันเรียกว่า Lamellar Structure[1]

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[แก้]

ผิวเคลือบที่ได้จากกระบวนการพ่นเคลือบด้วยความร้อนสามารถนำมาใช้ประโยชน์ในเรื่องการป้องกันความเสียหายที่จะเกิดขึ้นกับตัวชิ้นงาน จากสภาพแวดล้อมหรือ สภาพการใช้งาน โดยทั่วไปผิวเคลือบจะเป็นส่วนที่เสียหายแทนเนื้อวัสดุของชิ้นงานที่ผิวเคลือบนั้นเคลือบไว้ ซึ่งจะทำให้ชิ้นงานมีอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น

นอกจากนี้กระบวนการพ่นเคลือบด้วยความร้อนยังสามารถใช้ในการซ่อมบำรุงชิ้นงานต่างๆ ได้ด้วย เช่นชิ้นงานที่สึกหรอจากการเสียดสีขณะใช้งานเมื่อถึงกำหนดซ่อมบำรุง ก็สามารถใช้กระบวนการพ่นเคลือบด้วยความร้อนพ่นเนื้อวัสดุลงไปเติมเต็มส่วนที่สึกหรอได้


อุปกรณ์[แก้]

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

กระบวนการพ่นเคลือบพลาสม่า (Plasma spray process)[แก้]

ในกระบวนการเพ่นเคลือบพลาสม่านั้น 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)[แก้]

กระบวนการพ่นเคลือบลวดอาร์กเป็นรูปแบบหนึ่งของกระบวนการพ่นเคลือบด้วยความร้อน โดยใช้ลวดโลหะสองเส้นเป็นวัตถุดิบผิวเคลือบ ป้อนเข้าสู่หัวพ่น จ่ายกระแสไฟฟ้าให้แก่ลวดเพื่อให้เกิดการอาร์กขึ้นที่ปลายลวดทั้งสองที่ตำแหน่งปลายกระบอกปืนพ่น ความร้อนจากอาร์กที่เกิดขึ้นทำให้ปลายลวดทั้งสองเส้นหลอมละลาย และลวดวัสดุผิวเคลือบที่หลอมละลายนี้ถูกอากาศความดันสูงที่ต่อเข้ามาที่หัวพ่นพัดพาออกไปตกที่ผิวชิ้นงานที่ต้องการให้ถูกเคลือบ เกิดเป็นผิวเคลือบต่อไป

กระบวนการพ่นเคลือบเปลวไฟ (Flame spray process)[แก้]

กระบวนการนี้ใช้เปลวไฟจากการเผาไหม้อะเซติลีนหรือส่วนผสมระหว่างออกซิเจนและไฮโดรเจน วัตถุดิบผิวเคลือบจะถูกป้อนเข้าสู่หัวพ่น และหลอมเหลวโดยเปลวไฟ จากนั้นอนุภาคผิวเคลือบจะถูกขับดัน พาไปตกบนผิวชิ้นงานที่ต้องการได้รับการเคลือบด้วยอากาศที่มีความดันสูง วัตถุดิบผิวเคลือบมีทั้งแบบผงและขดลวด

Flame Spray process

ข้อจำกัดของกระบวนการพ่นเคลือบด้วยความร้อน[แก้]

กระบวนการพ่นเคลือบโดยทั่วไปมีข้อจำกัดเรื่องเส้นทางการเดินทางของอนุภาคผิวเคลือบที่พ่นออกมาจากปลายกระบอกปืนที่เดินทางเป็นเส้นตรง ดังนั้นหากพื้นผิวที่ต้องการได้รับการเคลือบถูกบังด้วยวัตถุอื่น จะทำให้ไม่สามารถพ่นเคลือบได้

  1. ดร.สิทธิชัย วิโรจนุปถัม, เทคโนโลยีการพ่นเคลือบด้วยความร้อน, หน้า 1