Bài 11.11PhủChương 11 · Lớp phủ và hoàn thiện bề mặt

Phun nguội

Các hạt kim loại rắn hàn vào nhờ tốc độ thuần túy

Phun nguội bắn bột kim loại rắn vào chi tiết nhanh đến mức các hạt hàn vào khi va chạm, mà không bao giờ chảy. Hãy xem nó như phun nhiệt (Phun nhiệt) không có ngọn lửa. Nó sửa chữa các chi tiết máy bay và tàu thủy bị mòn, và thậm chí có thể tạo nên cả chi tiết kim loại từng lớp một.

Ảnh: Александр Шоринов, CC BY-SA 4.0, qua Wikimedia Commons

Phun nguội · bộ gia nhiệt, cấp bột, vòi phun siêu thanh, cận cảnh va chạmPhía trên cho thấy súng phun từ bộ gia nhiệt đến vòi phun; hình cận cảnh cho thấy điều xảy ra khi va chạm. Các số trong vòng tròn khớp với các bước bên dưới.

Cách hoạt động

Gia nhiệt khí. Nitơ hoặc heli ở áp suất cao (thường gấp hàng chục lần áp suất không khí thường) được làm ấm, thường đến vài trăm độ và tối đa khoảng 1.000 °C. Mức đó vẫn thấp hơn nhiều so với điểm nóng chảy của bột.
Thêm bột. Bộ cấp liệu định lượng các hạt kim loại mịn, thường rộng khoảng 10–50 µm, vào dòng khí.
Tăng tốc. Vòi phun hội tụ–phân kỳ (vòi thu hẹp rồi mở rộng, gọi là vòi de Laval) làm khí đạt tốc độ siêu thanh. Nó kéo các hạt lên khoảng 500–1.000 m/s.
Va chạm và liên kết. Mỗi hạt rắn bị ép dẹt khi va chạm. Cú va làm vỡ lớp vỏ oxit mỏng của nó, và kim loại sạch ép vào kim loại sạch và hàn ở trạng thái rắn (không nóng chảy).
Đắp dày và gia công. Robot quét vòi phun qua chi tiết, và các hạt chất đống thành lớp đắp đặc từ một phần milimet đến vài centimet. Vì thô ráp, lớp đắp sau đó được gia công cho đúng hình.

Thông số chính

Vật liệu: Kim loại dẻo: nhôm, đồng, titan, niken, tantan, thép; một số hỗn hợp kim loại–gốm. Bột cứng, giòn phun kém
Chi tiết thường gặp: Vỏ hộp và trục đã sửa, lớp phủ chống ăn mòn, lớp đồng, vòi phun tên lửa, vòng
Kích thước chi tiết: Từ sửa chữa nhỏ đến lớp đắp dày vài centimet trên chi tiết lớn; bị giới hạn bởi tầm với của robot
Độ chính xác: Thô khi mới phun, khoảng ±1 mm; hình dạng cuối cùng đến từ gia công
Bề mặt hoàn thiện: Thô và mờ khi mới phun; bề mặt đã gia công trông như kim loại đặc
Số lượng phù hợp: Sửa chữa, đơn chiếc và loạt nhỏ; lớp phủ sản xuất
Chi phí khuôn dụng cụ và máy: Không cần khuôn; hệ thống thường tốn hàng trăm nghìn đô la, cộng thêm khí (heli rất đắt)
Tốc độ: Lắng đọng nhanh, thường hàng kilôgam mỗi giờ với nhôm hoặc đồng

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm

Không nóng chảy: không oxy hóa, ít hư hại nhiệt cho chi tiết
Lớp đắp đặc, từ lớp phủ đến lớp đắp dày
Nối được những kim loại khó hàn với nhau
Nhanh và tốt cho sửa chữa tại chỗ

Hạn chế

Chỉ dùng được với kim loại dẻo (uốn được)
Hình gần thành phẩm, thô, phải gia công
Phải thấy thẳng đường phun, như mọi loại phun
Heli chất lượng cao đắt, và tia phun rất ồn

Ứng dụng

Hàng không vũ trụ và quốc phòngPhục hồi vỏ hộp số magiê và nhôm bị ăn mòn
Không gianLớp đồng và niken cho vòi phun động cơ tên lửa
Điện tử và năng lượngĐồng trên nhôm cho tản nhiệt và tiếp điểm điện
Dầu khí và hàng hảiLớp chống ăn mòn, sửa chữa trục và van
Sản xuấtChế tạo bồi đắp vòng, mặt bích và chi tiết gần thành phẩm

Cách nhận biết

Một lớp kim loại dày, đặc đắp lên chi tiết cũ, thường là kim loại khác với chính chi tiết.
Không có màu nhiệt, vảy oxit hay vết cháy quanh vùng đã sửa, không như hàn.
Khi mới phun, bề mặt thô, mờ như giấy nhám thô; sau khi gia công, là kim loại trơn.
Dưới kính hiển vi, các hạt bị dẹt xếp khít với gần như không có lỗ xốp.