การพ่นเคลือบด้วยเปลวความร้อน (Thermal Spray Coating)

          การพ่นเคลือบด้วยเปลวความร้อน (thermal spraying) เป็นเทคนิคหนึ่งที่ใช้ในการผลิตผิวเคลือบ (coating) โดยหลักการของการพ่นเคลือบด้วยความร้อน คือ การหลอมวัสดุเคลือบ (coating materials) ให้อยู่ในสภาพหลอมเหลวหรือกึ่งหลอมเหลวแล้วพ่นด้วยแรงดันแก๊สให้ไปตกกระทบบนผิวชิ้นงาน แสดงดังรูป 1 จากนั้นจึงเกิดการแข็งตัวอย่างรวดเร็วได้เป็นผิวเคลือบ โดยผิวเคลือบที่ได้จากการพ่นเคลือบด้วยความร้อนมีลักษณะเป็นแผ่นๆ ซ้อนทับกัน หรือที่เรียกว่า lamellar structure ซึ่งเกิดจากอนุภาคที่หลอมเหลวหรือกึ่งหลอม เกิดการแผ่ออกเมื่อตกกระทบที่ผิว การยึดเกาะกันระหว่างอนุภาคในผิวเคลือบส่วนใหญ่เกิดจากการเกาะเกี่ยวระหว่างกัน (interlocking) ของอนุภาคหลังการตกกระทบและเกิดการแข็งตัว ซึ่งจัดเป็นพันธะเชิงกล (mechanical bond)

          โดยโครงสร้างทางจุลภาคของผิวเคลือบทั่วไปจะประกอบด้วย (ดังรูป 2) ชั้นอนุภาคที่หลอมเหลวหรือกึ่งหลอม อนุภาคที่ไม่หลอม (unmelted particles) ชั้นออกไซด์ (oxide inclusions) และช่องว่าง (pores/voids) หรือเรียกว่า ความพรุน

                                                            รูป 1 ไดอะแกรมการสร้างผิวเคลือบ                                               รูป 2 โครงสร้างของผิวเคลือบที่เกิดจากการพ่นเคลือบ

ข้อดีของการพ่นเคลือบด้วยความร้อน

              1) สามารถเลือกวัสดุเคลือบได้หลายชนิด โดยที่วัสดุนั้นสามารถหลอมได้โดยไม่เกิดกาสลายตัว (decompose) เมื่อได้รับความร้อน

          2) เทคนิคหรือปืนพ่นสามารถเลือกใช้ได้หลายชนิดตามสมบัติของผิวเคลือบที่ต้องการ

          3) ชิ้นงานที่ผ่านการพ่นเคลือบแล้วสามารถนำกลับมาพ่นซ้ำได้อีกเมื่อถูกใช้งานจนมีขนาดหรือสมบัติเปลี่ยนไป

ข้อจำกัดของการพ่นเคลือบด้วยความร้อน

          1) ชิ้นงานที่มีรูปร่างซับซ้อนไม่สามารถพ่นได้ทั่วถึงเนื่องจากหัวของปืนพ่นเข้าไปไม่ถึงบริเวณซอกมุมหรือจุดอับ

          2) เครื่องมือบางส่วนมีราคาแพงและมีต้นทุนของการพ่นค่อนข้างสูงทำให้ต้องพิจารณาถึงความคุ้มค่าในการใช้งาน

ประเภทของการพ่นเคลือบด้วยความร้อน 

การพ่นเคลือบแบบเปลวไฟ (Flame spray)

รูปที่ 3 การพ่นเคลือบแบบเปลวไฟด้วยลวด (Wire Flame Spray) [https://www.gordonengland.co.uk/cws.htm]

รูปที่ 4 การพ่นเคลือบแบบเปลวไฟด้วยผง (Powder Flame Spray) [https://www.gordonengland.co.uk/cps.htm]

          การพ่นแบบเปลวไฟ Flame Spraying; FS) ถือได้ว่าเป็นวิวัฒนาการเริ่มแรกสุดของการพ่นเคลือบด้วยความร้อน โดยอาศัยแหล่งความร้อนจากการเผาไหม้ (combustion) ระหว่างแก๊สเชื้อเพลิงกับออกซิเจน การพ่นแบบเปลวไฟใช้ได้กับวัสดุเคลือบทั้งแบบผง แท่ง และแบบลวด

          แก๊สเชื้อเพลิงที่ใช้มีหลายชนิดตามคุณสมบัติของวัสดุเคลือบ ได้แก่ อะเซทิลีน (acetylene) โพรเพน (propane) เมทิลอะเซทิลีน–โพรพาไดอีน (methyl–acetylene–propadiene) และไฮโดรเจน (hydrogen) รูป 3–4 แสดงรูปปืนพ่นแบบเปลวไฟ

          การพ่นแบบเปลวไฟถือได้ว่าเป็นเทคนิคที่ให้ความเร็วของอนุภาคต่ำเมื่อเทียบกับเทคนิคอื่นๆที่ถูกพัฒนาขึ้นมาทีหลัง การพ่นแบบเปลวไฟในปัจจุบันจึงถูกเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า การพ่นแบบเชื้อเพลิงออกซิเจนความเร็วต่ำ (low velocity oxy–fuel spraying, LVOF) การพ่นแบบนี้เป็นเทคนิคที่มีต้นทุนต่ำ ใช้งานง่ายกว่าเทคนิคอื่น ได้อัตราการเคลือบและประสิทธิภาพการเคลือบสูง

          ลักษณะของผิวเคลือบที่ได้โดยทั่วไปมีความแข็งแรงพันธะต่ำ ความพรุนสูง เนื่องจากการพ่นเคลือบแบบเปลวไฟให้อุณหภูมิไม่สูงมากอยู่ในช่วง 2000–3000 องศาเซลเซียส เมื่อเทียบกับเทคนิคอื่นๆ และไม่สามารถปรับอุณหภูมิของการพ่นได้มาก จึงใช้ได้กับวัสดุประเภทโลหะและอัลลอยที่มีจุดหลอมเหลวต่ำเป็นส่วนใหญ่ เช่น Al Mo Cu และ Zn โดยใช้มากสำหรับงานต้านทานการกัดกร่อน ตัวอย่างอัลลอย เช่น นิกเกิลอัลลอย (Ni–base alloys) และบรอนส์อัลลอย (bronze alloys) และพอจะใช้ได้สำหรับวัสดุประเภทเซอร์เมท (cermet) บางกลุ่ม เช่น วัสดุผสมระหว่างคาร์ไบด์กับนิกเกิลอัลลอย สำหรับงานต้านทานการสึกหรอ แม้กระทั่งวัสดุประเภทเซรามิก เช่น Al₂O₃, Cr₂O₃ ก็มีการใช้กับการพ่นแบบเปลวไฟได้ โดยมีทั้งแบบผงและแบบลวด

การพ่นเคลือบแบบอาร์คสเปรย์ (Arc Spray)

รูปที่ 5 การพ่นเคลือบแบบอาร์ค (Arc Spray) [https://www.gordonengland.co.uk/aws.htm]

          การพ่นแบบอาร์ค (Arc Spraying: AS) เป็นการพ่นโดยใช้แหล่งความร้อนจากการอาร์คด้วยไฟฟ้าระหว่าง 2 ขั้ว โดยวัสดุเคลือบต้องอยู่ในรูปของเส้นลวดที่นำไฟฟ้าได้ ซึ่งอาจจะเป็นโลหะอัลลอยหรือเป็นเซรามิก ที่อยู่ในรูปของแกนลวด (cored–wire) คือ เป็นเส้นลวดที่มีเซรามิก อยู่ด้านใน ลวดที่ห่อหุ้มอาจเป็นโลหะหรืออัลลอย ซึ่งจะทำให้เกิดการนำไฟฟ้าและเกิดการอาร์คได้

          กระบวนการพ่นแบบอาร์คต่างจากเทคนิคอื่นๆ ตรงที่ไม่มีแหล่งความร้อนจากภายนอก เช่น เปลวไฟ หรือ เปลวพลาสมา ความร้อนและการหลอมเกิดขึ้นที่วัสดุเคลือบหรือเส้นลวดเองโดยเกิดขึ้นทันทีที่เส้นลวดสองเส้นซึ่งมีประจุตรงข้ามกันมาสัมผัสกันตรงปลายลวดที่เรียกว่า เกิดการอาร์ค อนุภาคที่หลอมตรงปลายลวดจะถูกผลักดันด้วยแก๊สที่มีความดันสูงทำให้เกิดการแตกเป็นละออง พร้อมกับเคลื่อนที่ไปที่ชิ้นงานแล้วเกิดการเย็นตัวและแข็งตัวเคลือบบนผิวชิ้นงานดังแผน ภาพแสดงดังรูป 5

          การพ่นแบบอาร์คมีข้อดีกว่าการพ่นแบบใช้เปลวไฟหลายประการ เช่น ผิวเคลือบจากการพ่นแบบอาร์คจะมีความแข็งแรงพันธะสูงกว่า โดยทั่วไปมากกว่า 1000 psi ความร้อนสะสมที่ซับสเตรทน้อยกว่าเพราะไม่มีเปลวไฟพุ่งไปที่ซับสเตรท และโดยทั่วไปการพ่นแบบอาร์คมีต้นทุนการพ่นต่ำกว่า เนื่องจากไม่ต้องใช้แก๊สเชื้อเพลิงและออกซิเจน ที่สำคัญและเหนือกว่าทุกระบบ คือ การพ่นแบบอาร์คให้อัตราการเคลือบ (deposition rate) สูง โดยมีอัตราการเคลือบสูงสุดได้ถึง 50 กิโลกรัมต่อชั่วโมงสำหรับการพ่นวัสดุในกลุ่มนิกเกิลอัลลอย

การพ่นเคลือบแบบออกซิเจนความเร็วสูง (High Velocity Oxy-Fuel Spray : HVOF Spray)

รูปที่ 6 การพ่นเคลือบออกซิเจนความเร็วสูง (High Velocity Oxy-Fuel Spray) [https://www.gordonengland.co.uk/hvof.htm]

          การพ่นแบบเชื้อเพลิงออกซิเจนความเร็วสูง (High Velocity Oxy–Fuel Spraying: HVOF) เป็นเทคนิคที่พัฒนามาจากการพ่นแบบเปลวไฟซึ่งอาศัยแหล่งความร้อนจากการสันดาประหว่างแก๊สเชื้อเพลิงกับออกซิเจน สิ่งที่ต่างกันระหว่างการพ่นเคลือบทั้งสองแบบนี้ คือ การพ่นแบบเปลวไฟ (flame spraying) เกิดการเผาไหม้แบบภายนอกปืนหรือที่ปลายปืนในขณะที่การพ่นแบบ HVOF จะเกิดการเผาไหม้ภายในกระบอกปืนตรงส่วนที่เรียกว่าห้องเผาไหม้ (combustion chamber) การออกแบบที่สำคัญอีกจุดหนึ่งของ HVOF คือ มีส่วนของหัวพ่น (nozzle) ซึ่งมีลักษณะเป็นทรงกระบอกเล็กและยาวต่อจากห้องเผาไหม้ ดังรูป 6 หัวพ่นนี้มีผลต่อความเร็วของอนุภาคมากเนื่องจากเมื่อแก๊สเกิดการเผาไหม้ในห้องเผาไหม้ จะเกิดความร้อนและขยายตัวเคลื่อนที่ผ่านเข้าไปในหัวพ่นซึ่งมีขนาดเล็ก ทำให้เกิดความดันสูงในภาวะนี้จะทำให้แก๊สเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมากที่เรียกว่า เร็วกว่าเสียง (supersonic) สำหรับการพ่นแบบ HVOF ผงอาจถูกป้อนเข้าไปในห้องเผาไหม้ก่อนหรือเข้าไปที่หัวพ่นโดยตรงขึ้นกับการออกแบบ การที่หัวพ่นถูกออก แบบให้มีลักษณะยาว ผงจึงมีเวลาในการรับความร้อนนานขึ้นและเนื่องจากความดันที่สูงจึงทำให้อนุภาคมีความเร็วสูงถึง 800 เมตรต่อวินาที

          แก๊สเชื้อเพลิงที่ใช้สำหรับ HVOF ได้แก่ โพรเพน (propane) โพรพิลีน (propylene) เมทิล–อะเซทิลีน–โพรพาไดอีน (MAPP) และไฮโดรเจน (hydrogen) นอกจากนี้ยังสามารถใช้เชื้อเพลิงเหลวได้ เช่น เคโรซีน (kerosene) หรือที่เรียกว่า น้ำมันก๊าด โดยใช้อากาศเป็นตัวออกซิไดส์ (oxidizer)

การพ่นเคลือบแบบพลาสมา (Plasma Spray)

รูปที่ 7 การพ่นเคลือบแบบพลาสมา (Plasma Spray) [https://www.gordonengland.co.uk/ps.htm]

          การพ่นแบบพลาสมา (Plasma Spraying: PS) อาศัยความร้อนจากเปลวพลาสมาซึ่งสามารถให้อุณหภูมิสูงถึง 12,000 องศาเซลเซียส เหมาะสำหรับการพ่นวัสดุประเภทเซรามิก เนื่องจากเซรามิกส่วนใหญ่มีจุดหลอมเหลวสูงความร้อนที่ได้จากพลาสมาเกิดจากการปล่อยแก๊ส Ar (อาร์กอน) หรือ Ar ผสมกับแก๊สอื่น เช่น Ar+H₂, Ar+He และ Ar+N₂ ให้ไหลผ่านไปรอบๆ ขั้วคาโทด (ทังสเตน, W) และทะลุผ่านขั้วอาโนด (ทองแดง, Cu) โดยทั้งสองขั้วถูกหล่อเย็นด้วยน้ำ เมื่อการอาร์คไฟฟ้าเริ่มขึ้นที่ขั้วทั้งสอง โดยอาศัยการ discharge แบบความถี่สูงจากไฟกระแสตรง แก๊สจะเกิดการแตกตัว ซึ่งต่อมาจะมีความร้อนเกิดขึ้นทำให้แก๊สเกิดการขยายตัวกลายเป็นพลาสมาที่มีความดันและอุณหภูมิสูง เปลวพลาสมาที่เกิดขึ้นในปืนพ่นจะเคลื่อนที่ไปตามหัวพ่นด้วยความเร็วสูง ผงเคลือบที่ถูกป้อนเข้าไปในเปลวพลาสมาจะถูกหลอมและถูกเร่งไปตกกระทบบนซับสเตรตเกิดเป็นผิวเคลือบดังแผนภาพแสดงดังรูป 7

          แก๊สอาร์กอน (Ar) เป็นแก๊สหลักในการผลิตพลาสมาเนื่องจากเป็นแก๊สที่เฉื่อยต่อปฏิกิริยาเคมีและ Ar ซึ่งเป็นแก๊สโมเลกุลเดี่ยว (monoatomic molecule) มีความเร็วแก๊สสูงกว่าแก๊สโมเลกุลคู่ทำให้ได้เปลวพลาสมาที่มีความเร็วสูงและพบว่าค่าความร้อนของเปลวจะสูงขึ้นเมื่อเติมแก๊สโมเลกุลคู่ (diatomic molecule) เช่น N₂ หรือโดยเฉพาะ H₂ เข้าไปผสมกับ Ar เนื่องจากแก๊สโมเลกุลคู่มีค่าการเหนี่ยวนำความร้อนสูงกว่า ดังนั้นในทางปฏิบัติจะพบว่าแก๊สที่ใช้ผลิตพลาสมาส่วนใหญ่จึงเป็นแก๊สผสมระหว่าง Ar กับ H₂ หรือ N₂ นอกจากนี้ในกรณีที่มีการใช้ Ar ผสมกับ He มีค่าการเหนี่ยวนำความร้อนสูงกว่า Ar สำหรับการออกแบบปืนพ่นแบบพลาสมานับว่ามีความซับซ้อนมากและมีผลสำคัญมากต่อความเร็วและความร้อนที่อนุภาคจะได้รับโดยเฉพาะอย่างยิ่งขนาดและรูปร่างของขั้วคาโทด และอาโนดจะต้องสัมพันธ์กับชนิดของแก๊สที่ใช้ผลิตพลาสมา นอกจากนี้ระยะพ่นนับเป็นปัจจัยหนึ่งที่สำคัญ เนื่องจากพลาสมามีอุณหภูมิและความเร็วสูง ดังนั้นระยะพ่นต้องมากพอที่จะไม่ทำให้ซับสเตรทมีอุณหภูมิสูงเกินไปจากการสัมผัสเปลวพลาสมาแต่ก็ต้องไม่ห่างมากจนอนุภาคเกิดการเย็นตัวและสูญเสียความเร็วมากก่อนตกกระทบ

          การพ่นแบบพลาสมาส่วนใหญ่ที่ใช้เป็นการพ่นในบรรยากาศปกติหรือที่เรียกว่าการพ่นเคลือบพลาสมาบรรยากาศ (atmospheric plasma spraying: APS) ซึ่งในสภาวะการพ่นดังกล่าวอนุภาคที่หลอมจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในบรรยากาศได้ง่ายเกิดเป็นสารประกอบออกไซด์ ซึ่งมีผลต่อโครงสร้างและสมบัติของผิวเคลือบ โดยในการแก้ปัญหาดังกล่าวจึงมีการพัฒนาให้ปืนพลาสมาบรรจุอยู่ในห้องสุญญากาศ ซึ่งโดยปกติหลังจากดูดอากาศออกจากห้องสุญญากาศจนเหลือความดันในช่วง 0.001–0.01 Pa แล้วจะมีการเติมแก๊สเฉื่อย (Ar) เข้าไปแทนที่ความดันต่ำ กลายเป็นระบบพ่น ที่เรียกว่าการพ่นแบบพลาสมาสุญญากาศ (vacuum plasma spray, VPS) (ซึ่งปกติจะมีออกซิเจนเหลืออยู่ไม่เกิน 30 ppm) หรือ เรียกอีกอย่างว่าการพ่นแบบพลาสมาความดันต่ำ (low pressure plasma spraying, LPPS)

ที่มา หนังสือ "เทคโนโลยีการพ่นเคลือบด้วยเปลวความร้อน" ผู้เขียน สิทธิชัย วิโรจนุปถัมภ์