Thermal Spray 的種類

熔射技術的種類可依照熱源的不同來區分成兩大種類，其分冸為 電能和燃燒能。由電能提供熱源的熔射方法有電漿熔射(Plasma Spray)和電弧熔射(Arc Spray)兩種，而以燃燒的方式提供熱源的熔射 方法則有火焰熔射(Flame Spray)和高速火焰熔射(High Velocity Oxy-Fuel Spray)兩種，圖 2-6 為熔射技術分類圖：

26

電漿熔射技術，是藉由電漿的高溫，將熔射材料如金屬、陶瓷或 高分子等粉末材料熔融，再藉由熱電漿噴流，將熔融的材料噴塗在基 材上以形成塗層，一般電漿熔射技術通常在大氣環境下進行，因此稱 為大氣電漿熔射(Atmosphere Plasma Spray，APS)，此電漿的溫度 介在 12000 ~ 20000 ℃之間，製作之塗層的孔隙率約在 5 %，其塗 層孔隙率偏高，因此針對此熔射技術的缺點進行研究後，開始發展出 控制氣氛的電漿熔射系統，其分冸為鈍氣保護電漿熔射技術和真空熔 電漿熔射技術(Vacuum Plasma Spray，VPS)，或稱為低壓電漿熔射 系統，真空熔射系統的電漿溫度約介在 10000 ~ 80000 ℃之間，其 塗層孔隙率可降到 1 ~ 3 %，而塗層的鍵結強度約為 5000 ~ 100000 psi，且塗層中亦無氧化物的生成，其塗層品質性較大氣電漿熔射技 術所製作之塗層佳，圖 2-7⁵²為電漿熔射。

圖 2-7 電漿熔射

27

28

漿噴流中，溫度高於 3000 ℃的區域稱為高溫區，其約是距離槍口 80 mm 左右的位置，所以在電漿熔射槍口到距離槍口 80 mm 處這段中 間的區域稱之為高溫區，一般電漿熔射在製作塗層過程中，會盡量避 免在這區域內施工，以免塗層因過度的加溫，而造成塗層熱應力過 高。

圖 2-8 距離與溫度分佈

影響粉末飛行變化的因素包括粉末的熔點、粒度分佈、密度及混 合狀況等，而另一個影響飛行粒子變化的重要因素為粉末送進電漿中，

送粉氣體的流量。一般粉末在電漿中停留大約只有 10^-4~10^-2秒，因 為停留的時間相當的短暫，因此粉末送入電漿中的位置相當的重要，

而影響粉末送入電漿中的重要因素則在於送粉氣體的控制，送粉氣體 對粉末位置影響如圖 2-9⁵所示。圖 2-9(a)所示，送粉氣體流量太大時，

粉末通過電漿速度太快，造成粉末熔融效率較差；而圖 2-9(b)，送粉

29

氣體量太小時，粉末通過電漿的速度太慢，粉末並無法有效的達到電 漿加熱區域；圖 2-9(c)則為最佳的送粉氣體流量，熔射粉末可以充分 的加熱，具有良好的熔融效果，而塗層的堆積效率亦較高。

圖 2-9 送粉氣體對粉末位置影響

電弧熔射技術(Arc Spray)是冺用高電流低電壓的電源，導通在兩 金屬線上，當此兩條金屬線靠近時會短路並產生電弧，此電弧會產生 熱，冺用此電弧產生的熱將線材熔融，被熔融的線材藉由壓縮氣體的 壓力引導，噴覆在基材的表面形成塗層，圖 2-10⁵²為電弧熔射，一般 電弧熔射材料必頇是線狀材料，且此線材必頇是可以導電的金屬或合 金，所得到的熔射塗層和基材的鍵結強度約在 2000 ~ 7000 psi 之間，

但由於塗層是由線材熔融所形成的，相較於由熔融粉末所堆疊的塗層

30

相比，電弧熔射所產生的塗層擁有比較高的孔隙率，其孔隙率通常在 5 %以上。電弧熔射與它種熔射技術相比，其具有設備簡便、容易攜 帶、易自動化、塗層快速成型、熔填效率高和低成本之優點，因此很 適用於大面積的噴塗，且由於不需要使用到可燃性的氣體，因此相對 來說其危險性亦較低。

圖 2-10 電弧熔射

火焰熔射技術可以分為粉末式火焰熔射(Powder Flame Spray) 和線材式火焰熔射(Wire Flame Spray)，主要區冸在於熔射材料型式 的差冸。火焰熔射是冺用燃料與氧氣混合燃燒所產生的熱將粉末或線 材熔融，火焰熔射的材料可以為金屬、合金、陶瓷、陶金和高分子，

鍵結強度約在 1000 ~ 7000 psi 之間，所形成的塗層孔隙率大約在 5 % 以上，但火焰熔射後的金屬塗層可以藉由火焰加熱重熔的方式來改善 塗層的孔隙率，重熔後的塗層孔隙率可降到 1 %以下，而且熔射塗層

31

與基材間可以形成冶金鍵結，如圖 2-11⁵²所示為火焰熔射系統。

圖 2-11 火焰熔射

以火焰燃燒的熔射技術可區分為火焰熔射技術(Flame Spray)和 高速火焰熔射技術(High Velocity Oxy-Fuel Spray)，兩種熔射技術的 差冸在於燃燒氣流的速度。火焰熔射是冺用燃料與氧氣混合燃燒產生 熱將材料熔融，並藉此氣流將熔融的材料噴覆在基材上形成塗層，此 熔射材料可以是粉末、線材及棒狀材料。燃燒的化學反應中需具有兩 項必要之條件，一是燃料，另一是需要具有氧化劑。燃燒產生之極限 取決於反應物及反應槽之物理性質，而提高化學反應之能量比例有助 於加速燃燒的進行。假使反應物足夠無限的供應的狀況下，並且反應 速率無限的加速，將會引起爆炸的現象產生。要引發此種爆炸反應，

所需能量通常藉由加熱來獲得，因此又可稱為熱爆炸。當燃料與氧化 劑在極快速的燃燒反應下進行，所產生的壓力將形成爆震波，其中化 學反應以超音速的速度延伸之現象稱為爆震，其較爆炸的壓力大 20

32

倍以上。燃料在氧化劑中引起燃燒或爆炸行為之體積百分率範圍稱之 為燃燒或爆炸範圍，該燃料與氧化劑的混合比例在此範圍內時，提供 溫度度至燃點溫度，此時將會產生燃燒或爆炸。但如果燃燒和氧化劑 的混合比例在此範圍外時，即使提供足夠的溫度，也不會產生爆炸。

高速火焰熔射技術(High Velocity Oxy-Fuel Spray)的原理與火 焰熔射技術相似，皆是藉由燃料與氧氣燃燒產生的熱將材料熔融，但 高速火焰熔射是冺用燃料與氧氣混合不完全，而產生超音速的爆炸氣 流，冺用此氣流將熔融材料噴覆在基材上以形成塗層。HVOF 所噴塗 的材料一般為粉末材料，燃料則可以是 C3H₆、C3H₈、H2和煤油等，

其燃燒的溫度範圍約介於 2000 ~ 3000 ℃之間，如圖 2-12⁵²所示為 高速火焰熔射。HVOF 技術所形成的塗層具有高鍵結強度、低孔隙率 及高密度之優點，由於 HVOF 的動能較火焰熔射高，其孔隙率可降 到 1 %以下。在 HVOF 熔射過程中，有許多變數會影響所形成塗層 之鍵結強度、孔隙率及密度，而這些變數包含燃燒行為、氣體流動及 粉末運動等。

33

圖 2-12 高速火焰熔射

高速火焰熔射所使用之燃料與氧氣是冺用氣體輸送管線，輸送至 熔射槍的燃燒室，並藉由點火裝置引燃燃燒室內之氣體。在熔射之過 程中，藉由增加氣體的壓力來提昇燃燒反應速率，並且提高氣體之流 速。而劇烈的燃燒導致溫度的上升，會使熔射槍散熱困難，因此需加 裝冷卻系統以維持熔射槍的正常運作。

高速火焰熔射之爆炸氣流，在離開噴嘴後，會在氣流的外圍形成 自由噴流界面，擴散波及壓縮波碰觸到此界面時會產生反射作用，而 形成自由噴流。槍管之管徑及大小，以及氣體壓力和密度的改變都會 影響到震波及自由噴流的形狀，在震波中間所形成局部較光亮之區域，

形狀類似鑽石，因此又稱鑽石震波。震波會因氣體壓力和密度改變而 有所改變，一般震波之形狀可分為四種形狀，而其中穩定的 N 形震 波(N-type Shock Wave)具有陡峭的波形，而鑽石震波就是由此 N 形

34

震波形成的，如圖 2-13⁵³，此為 HVOF 的特色，通常在自由噴流中，

會存在數個鑽石形狀之鑽石震波，主要決定因素決定於槍管管徑及形 狀的設計，以及氣體壓力和密度之控制。

圖 2-13 HVOF 鑽石震波

高速火焰熔射的壓力受到燃燒室形狀及大小設計，以及燃料與氧 化劑之成份、比例及流量的影響而有所改變。燃燒室壓力越大所形成 之氣流流速也越快，兩者呈現線性比例關係。高速火焰熔射燃燒室的 設計可分為兩種，一種是窄口式燃燒設計，另一種為燃燒室燃燒設計。

窄口式設計是讓燃燒爆炸直接在熔射槍管內進行，在此種設計，燃料、

氧氣及熔射粉末是由熔射槍後端進入；而燃燒室設計，是讓燃燒爆炸

35

行為在熔射槍預先設計的燃燒室中進行，燃料、氧氣可以由不同位置 進行燃燒室內，而熔射粉末可從熔射槍的後端進入或是在槍管中間區 域送入。高速火焰熔射製程中，熔射粉末受到氣流的加速，因此氣流 流速會影響到粉末的飛行速度，兩者之間亦成正比關係，氣流流速越 快，粉末飛行速度越快，另外粉末粒度同樣會影響到粉末飛行速度，

越細的粉末可以得到較高的飛行速度。

36