การพ่นเคลือบด้วยความร้อน

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

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

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)

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

ข้อจำกัดของกระบวนการพ่นเคลือบด้วยความร้อน

กระบวนการพ่นเคลือบโดยทั่วไปมีข้อจำกัดเรื่องเส้นทางการเดินทางของอนุภาคผิวเคลือบที่พ่นออกมาจากปลายกระบอกปืนที่เดินทางเป็นเส้นตรง  ดังนั้นหากพื้นผิวที่ต้องการได้รับการเคลือบถูกบังด้วยวัตถุอื่น  จะทำให้ไม่สามารถพ่นเคลือบได้

คุณสมบัติและการทดสอบ

 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

กระบวนการทางเคมี
วัสดุศาสตร์
กระบวนการผลิต