ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ

Transcript

1 ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΣΤ ΕΞΑΜΗΝΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΟΥ ΤΟΜΕΑ ΕΝΟΤΗΤΑ A: ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΥΛΙΚΩΝ ΓΙΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Δρ. Πανδώρα Ψυλλάκη Μάρτιος 2013

2 1 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο όρος Επιφανειακή Κατεργασία (Surface Engineering) χρησιµοποιείται για να περιγράψει ένα ευρύ φάσµα διεργασιών τροποποίησης των εξωτερικών στρωµάτων ενός υλικού που στόχο έχει είτε την µικροδοµική και µηχανική τους ενίσχυση, ή την µεταβολή της µικρο-γεωµετρίας τους. Οποιονδήποτε από τους δυό στόχους κι αν καλείται να ικανοποιήσει µια επιφανειακή κατεργασία, αυτή αποτελεί το τελευταίο στάδιο κατεργασίας ενός τελικού αντικειµένου πριν αυτό τεθεί σε λειτουργία. Περαιτέρω κατεργασία ενός αντικειµένου µετά την επιφανειακή του κατεργασία είναι επιτρεπτή µόνο για λόγους διόρθωσης ή συντήρησης του αντικειµένου. Σε αντίθεση µε τις θερµικές κατεργασίες που επηρεάζουν το συνολικό όγκο του υλικού, οι επιφανειακές περιορίζονται σε µια εξωτερική στοιβάδα του, πάχους µερικών µm έως µερικών δεκάτων του χιλιοστού. Η σηµασία τους για την καλή απόκριση του µεταλλικού αντικειµένου σε συνθήκες λειτουργίας είναι τεράστια, αφού το µεγαλύτερο µέρος των αστοχιών που καταγράφονται καθηµερινά έχουν ως σηµεία έναρξης επιφανειακές περιοχές του υλικού. Ανάλογα µε το σκοπό που εξυπηρετούν, οι επιφανειακές κατεργασίες διακρίνονται σε: Κατεργασίες επιφανειακής ενίσχυσης του υλικού έναντι µηχανικών φορτίσεων ή/ και δράσεων χηµικών παραγόντων. Πρόσφατες έρευνες έδειξαν ότι οι δαπάνες που καταναλώνονται παγκοσµίως για την εφαρµογή κατεργασιών αυτής της κατηγορίας αφορούν σε ποσοστό 50% την προστασία µεταλλικών υλικών έναντι διάβρωσης, 30% την προστασία έναντι φθοράς από τριβή και 20% άλλες ειδικές απαιτήσεις. Κατεργασίες εξοµάλυνσης του ανάγλυφου ή χάραξης µε επέµβαση στη µικρογεωµετρία της επιφάνειας και ταυτόχρονη αφαίρεση υλικού. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι τεχνικές λείανσης (π.χ. τόρνευση, «ρεκτιφιάρισµα»), επιφανειακής διαµόρφωσης (π.χ. ηλεκτροδιάβρωση), µαρκαρίσµατος (π.χ. laser marking), κλπ. Οι τεχνικές αυτές εξετάζονται ως υποκατηγορία του επιστηµονικού πεδίου των «Μηχανουργικών Κατεργασιών», γι αυτό και δε θα αναλυθούν σ αυτή την ενότητα. Οι τεχνικές της πρώτης κατηγορίας διακρίνονται, σε γενικές γραµµές, αφενός σε αυτές που ενισχύουν το ίδιο το µέταλλο βάσης χωρίς ή µε την προσθήκη άλλου στοιχείου και στις οποίες η εξωτερική επιφάνεια του κατεργασµένου αντικειµένου ταυτίζεται µε την εξωτερική επιφάνεια του αρχικού υλικού, και αφετέρου σε αυτές που αποσκοπούν στη

3 2 δηµιουργία προστατευτικής, µεταλλικής ή κεραµικής, επικάλυψης και στις οποίες η τελική εξωτερική επιφάνεια του κατεργασµένου αντικειµένου είναι πλέον η εξωτερική επιφάνεια της επικάλυψης. Ετσι, για τις µεν πρώτες η εφαρµογή τους «προκαλεί» το βάθος κατεργασίας, ενώ για τις δεύτερες το πάχος της επικάλυψης (σχήµα 1.1). ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΟΥ ΣΤΡΩΜΑΤΟΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ Σχήµα 1.1. Επίδραση των τεχνικών επιφανειακής ενίσχυσης στην τελική επιφάνεια του κατεργαζόµενου αντικειµένου. Στην περίπτωση των τεχνικών τροποποίησης του ίδιου του υλικού βάσης χωρίς την προσθήκη άλλου στοιχείου, επιδιώκεται είτε εισαγωγή θλιπτικών εσωτερικών τάσεων ή µεταβολή της µικροδοµής σε επιφανειακό στρώµα του υλικού που οδηγούν τελικά σε σκλήρυνσή του και επιτυγχάνονται, αντιστοίχως, µε µηχανικό (π.χ. σφαιροβολή, εφαρµογή κρουστικών κυµάτων laser) ή θερµικό τρόπο (π.χ. φλογοβαφή). Η εισαγωγή θλιπτικών τάσεων σε επιφανειακό στρώµα µετάλλου αποδεικνύεται ότι συµβάλλει, επίσης, στην αύξηση της αντοχής του υλικού σε κόπωση (µεταβαλλόµενη µηχανική φόρτιση), καθώς και σε καλύτερη συµπεριφορά του σε διάβρωση υπό τάση. Οταν η επιφάνεια του υλικού θερµαίνεται σε σχετικά υψηλή θερµοκρασία µε την ταυτόχρονη παρουσία στοιχείων «µικρού» µεγέθους, όπως είναι ο άνθρακας, το άζωτο ή το βόριο, ενεργοποιούνται µηχανισµοί διάχυσης που επιτρέπουν την εισχώρηση των µικρών ατόµων στο κρυσταλλικό πλέγµα του µετάλλου βάσης όπου σχηµατίζουν στερεά διαλύµατα και/ ή τα αντίστοιχα καρβίδια, νιτρίδια και βορίδια. Με τον τρόπο αυτό

4 3 επιτυγχάνονται επιφανειακά στρώµατα υψηλής σκληρότητα και καλής αντοχής σε φθορά από τριβή. Ταυτόχρονα, δηµιουργείται υποεπιφανειακή ζώνη θλιπτικών τάσεων, η οποία όπως και προηγούµενα ενισχύει την αντοχή του υλικού σε κόπωση. Ειδικά στην περίπτωση που το διαχεόµενο στοιχείο είναι το βόριο, η αντοχή του υλικού σε διάβρωση υψηλών θερµοκρασιών αυξάνεται εντυπωσιακά. Οι επιφανειακές αυτές κατεργασίες είναι γνωστές ως θερµοχηµικές και εφαρµόζονται ευρέως για την ενίσχυση χαλύβων. Στην περίπτωση προστατευτικών επικαλύψεων, η επιφάνεια του προς προστασία υλικού καλύπτεται από στρώµα άλλου υλικού, ανώτερων ιδιοτήτων και µικρού πάχους σχετικά µε τις διαστάσεις του µεταλλικού αντικειµένου. Η επικάλυψη αυτή δηµιουργείται µε ψεκασµό, χηµικά, ηλεκτρολυτικά ή µε εναπόθεση από ατµούς, και η επιφάνειά της βρίσκεται σε άµεση επαφή µε το «εχθρικό περιβάλλον» (διαβρωτικοί παράγοντες, συζυγής τριβόµενη επιφάνεια, περιβάλλον υψηλής θερµοκρασίας) και έχοντας καλύτερη συµπεριφορά από το υλικό βάσης το προστατεύει από τους παράγοντες αυτούς. Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι ενώ η ορθή εφαρµογή µιας τεχνικής επιφανειακής κατεργασίας σ ένα µεταλλικό εξάρτηµα µπορεί να βελτιώσει θεαµατικά τη συµπεριφορά του σε συνθήκες «εχθρικού περιβάλλοντος» και να επιµηκύνει σηµαντικά τη διάρκεια ζωής του, ο µη σωστός σχεδιασµός ή υλοποίηση της κατεργασίας, τις περισσότερες φορές, επιταχύνει µηχανισµούς αστοχίας µε καταστροφικά αποτελέσµατα. Για παράδειγµα, είναι γνωστό ότι η εφαρµογή µη βέλτιστων συνθηκών εναπόθεσης µπορεί να οδηγήσει σε επικαλύψεις µε εσωτερικές δοµικές ατέλειες (πόρους, ρωγµές ή εγκλείσµατα) που κατά τη χρήση του επικαλυµένου αντικειµένου θα αποτελέσουν περιοχές αυξηµένων τάσεων ή συσσώρευσης διαβρωτικών ειδών επιβαρύνοντας έτσι µε πρόσθετους παράγοντες τη διάρκεια ζωής του µεταλλικού αντικειµένου. Χαρακτηριστική είναι η περίπτωση της ηλεκτρολυτικής εναπόθεσης χρωµίου από υδατικά διαλύµατα, η οποία πρέπει να πραγµατοποιείται σε λουτρά θερµοκρασίας C, έστω και εάν, στη θερµοκρασιακή αυτή περιοχή, η απόδοση του επιβαλλόµενου ρεύµατος µειώνεται έχοντας ως επακόλουθο την αύξηση του απαιτούµενου χρόνου επιχρωµίωσης. Ο περιορισµός αυτός τίθεται διότι η ηλεκτραπόθεση χρωµίου σε θερµοκρασία περιβάλλοντος συνοδεύεται από ταυτόχρονη έκλυση υδρογόνου στην κάθοδο, το οποίο εγκλωβίζεται στον όγκο του αποτιθέµενου µετάλλου και συµβάλλει στην εκτεταµένη ρωγµάτωσή του εντός διαστήµατος ~3 εβδοµάδων από την εναπόθεση.

5 4 2. Η ΕΝΝΟΙΑ ΤΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ Οπως προσδιορίστηκε στο προηγούµενο κεφάλαιο, οι επιφανειακές κατεργασίες στοχεύουν στην τροποποίηση της ποιότητας/ συµπεριφοράς επιφανειακού στρώµατος υλικού, πολύ µικρών διαστάσεων σε σχέση µε το συνολικό µέγεθος του αντικειµένου. Οποιαδήποτε κι αν είναι η τελική χρήση ενός επιφανειακά κατεργασµένου προϊόντος, δε θα πρέπει να αγνοείται ο ρόλος του βασικού µετάλλου, το οποίο αποτελεί τον κύριο «φορέα» των καταπονήσεων που υφίσταται η κατασκευή και που θα πρέπει να είναι, ανάλογα µε την εφαρµογή, στιβαρό ή ελαστικό ή δύσθραυστο ή µονωτικό. Σε ένα τέτοιο υπόστρωµα, η τροποποίηση της ποιότητας της επιφάνειάς του στόχο την προστασία της υπόλοιπης κατασκευής από ένα «εχθρικό» περιβάλλον λειτουργίας ή την πρόσδοση ιδιαίτερων χαρακτηριστκών. Για παράδειγµα, η επιφάνεια των «τακακιών» των φρένων του αυτοκινήτου, προκειµένου να εξασφαλίζεται η καλή λειτουργία τους, θα πρέπει να χαρακτηρίζεται από υψηλό συντελεστή τριβής και ταυτόχρονα χαµηλό συντελεστή φθοράς, σταθερούς για µεγάλο εύρος θερµοκρασιών. Η επιφάνεια των φακών τηλεσκοπίου θα πρέπει να ανακλά την ακτινοβολία, ενώ ταυτόχρονα η υπόλοιπη κατασκευή να έχει µηχανική αντοχή και να είναι διαστασιακά αµετάβλητη. Σε βιοµηχανικές εφαρµογές, οι επιφανειακές κατεργασίες των υλικών ως κύριο σκοπό έχουν την προστασία της συνολικής κατασκευής έναντι: Φθοράς, που προκαλείται από την επαφή της επιφάνειας µε τις επιφάνειες άλλων αντικειµένων..ιάβρωσης, όταν η επιφάνεια φέρεται σε υγρό περιβάλλον που δρα δυσµενώς επ αυτής. Οξείδωσης, όταν η επιφάνεια υπόκειται σε ξηρό περιβάλλον µε υψηλές θερµοκρασίες που ενεργοποιεί τη χηµική δράση των οξειδωτικών αερίων. Κόπωσης, η οποία εκδηλώνεται ως αστοχία του υλικού λόγω εναλλασσόµενης µηχανικής ή θερµικής φόρτισης. Βέβαια, στις περισσότερες εφαρµογές οι καταπονήσεις των υλικών είναι σύνθετες, αφού εναλλασσόµενες µηχανικές φορτίσεις µπορεί να λαµβάνουν χώρα σε οξειδωτικά περιβάλλοντα, ενώ ταυτόχρονα δυο επιφάνειες βρίσκονται σε επαφή. Σ αυτές τις περιπτώσεις ο µηχανικός καλείται να εκτιµήσει τη «βιαιότητα» του κάθε παράγοντα και να συναξιολογήσει τη δράση τους προκειµένου να υιοθετήσει µια επιφανειακή

6 5 κατεργασία που να ενισχύει την κατασκευή κατά το βέλτιστο τρόπο έναντι όλων ταυτόχρονα των «εχθρικών» παραγόντων. Οικονοµοτεχνική µελέτη που έγινε στη Μεγάλη Βρετανία κατέδειξε ότι εάν η γνώση που έχουµε σήµερα πάνω στις αντιτριβικές επιφανειακές κατεργασίες χαλύβων είχε εφαρµοστεί κατά τη διάρκεια µιας εικοσιπενταετίας, η συνολική εξοικονόµιση πόρων θα ήταν της τάξης των Πιο συγκεκριµένα, η εξοικονόµηση αυτή θα προερχόταν από (σχήµα 2.1): Τη µείωση της κατανάλωσης ενέργειας, κατά 5%. Την αύξηση της διάρκειας ζωής και της απόδοσης του προϊόντος, κατά 24%. Τη µείωση της χρήσης λιπαντικών, κατά 2%. Τη µείωση των αναγκαίων εργασιών συντήρησης, κατά 45%. Τη µείωση των απαιτούµενων ανθρωποµηνών, κατά 2% Τη µείωση της συχνότητας διακοπής της λειτουργίας, κατά 22% 2% 22% 5% 24% 2% Lower energy consumption Increased plant life & efficiency Less lubricant Less maintenance Less manpower needed Fewer breakdowns 45% Σχήµα 2.1. Ανηγµένη κατανοµή της εξοικονόµησης πόρων από την εφαρµογή αντιτριβικών επιφανειακών κατεργασιώς χαλύβδινων εξαρτηµάτων στη Μεγάλη Βρετανία, σε διάστηµα 25 ετών.

7 6 3. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΩΝ Οι τεχνικές δηµιουργίας επικαλύψεων (coatings) περιλαµβάνουν τις επιφανειακές εκείνες κατεργασίες κατά τις οποίες υλικό, διαφορετικής χηµικής σύστασης από το µέταλλο βάσης, µε ιδιότητες τις επιθυµητές ιδιότητες επιφάνειας του αντικειµένου εναποτίθεται σχηµατίζοντας επιπρόσθετο στρώµα, το οποίο καλείται επίστρωµα ή επικάλυψη. Οι διεργασίες επικάλυψης γίνονται σε αντιδραστήρες όπου τοποθετείται το προς επικάλυψη αντικείµενο (υπόστρωµα), και το υλικό της επικάλυψης εισέρχεται υπό µορφή ατµών, από υδατικά διαλύµατα ή σε κατάσταση τήγµατος (σχήµα 3.1). Κατάσταση υλικού επικάλυψης ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ ΑΕΡΙΑ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΥΓΡΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΤΕΤΗΚΥΙΑ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ Φυσική εναπόθεση ατµών, PVD Χηµική εναπόθεση ατµών, CVD Αναγόµωση/ Θερµικός ψεκασµός Εµποτισµός εν θερµώ Χηµική εναπόθεση Ηλεκτροχηµική εναπόθεση Εναπόθεση από κολλοειδή, Sol gel Σχήµα 3.1. Ταξινόµηση τεχνικών επικάλυψης βάσει της κατάστασης του υλικού επικάλυψης κατά την εισαγωγή του στον αντιδραστήρα. Γενικά, οι τεχνικές εναπόθεσης ατµών χαρακτηρίζονται ως τεχνικές δηµιουργίας επιστρωµάτων µικρού πάχους (<5 µm), ενώ οι τεχνικές αναγόµωσης και θερµικού ψεκασµού χρησιµοποιούνται για τη δηµιουργία επιστρωµάτων µεγάλου πάχους (>200 µm). Ολες οι υπόλοιπες τεχνικές χρησιµοποιούνται για τη δηµιουργία επικαλύψεων ενδιάµεσου πάχους (20-80 µm).

8 ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΜΕ ΕΝΑΠΟΘΕΣΗ ΑΤΜΩΝ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΜΙΚΡΟΥ ΠΑΧΟΥΣ Μεγάλος αριθµός υλικών (µεταλλικών, κεραµικών ή πολυµερών) χρησιµοποιείται µε τη µορφή λεπτών επιστρωµάτων, το πάχος των οποίων µπορεί να κυµαίνεται από µερικά nm έως µερικά µm. Ειδικά για τα επιστρώµατα µε πάχος µικρότερο του 1 µm, χρησιµοποιείται ο όρος υµένιο (thin solid film). Παραδείγµατα εφαρµογών επικαλύψεων µικρού πάχους φαίνονται στον πίνακα 3.1. Πίνακας 3.1. Κύριες εφαρµογές επικαλύψεων µικρού πάχους. ΕΦΑΡΜΟΓΗ Οπτικές Ηλεκτρικές Μηχανολογικές Βιοϊατρικές ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑΤΑ Ειδικές ανακλαστικές ή απορροφητικές επικαλύψεις οπτικών µερών οργάνων υψηλής τεχνολογίας. Αγώγιµα ή µονωτικές επικαλύψεις ολοκληρωµένων κυκλωµάτων. Αντιτριβικές επικαλύψεις κοπτικών άκρων εργαλείων µικρού µεγέθους. Βιοσυµβατές αντιτριβικές επικαλύψεις ορθοπαιδικών εµφυτευµάτων. Ανάλογα µε τη συγκεκριµένη εφαρµογή, τα επιστρώµατα µικρού πάχους πρέπει να έχουν µικροδοµή, η οποία να εξασφαλίζει τις επιθυµητές φυσικές, χηµικές και µηχανικές ιδιότητες. Για τη δηµιουργία τους χρησιµοποιούνται θάλαµοι εναπόθεσης χαµηλής πίεσης, οι οποίοι καλούνται και θάλαµοι κενού. Η ραγδαία ανάπτυξη που σηµείωσαν τις δυο τελευταίες δεκαετίες οι τεχνικές εναπόθεσης υπό κενό, κατέστησε δυνατό τον ορθό σχεδιασµό της εναπόθεσης (επιλογή τεχνικής και συνθηκών), προκειµένου τα λαµβανόµενα επιστρώµατα να έχουν δοµή πλήρως προβλέψιµη και ελεγχόµενη. Παράλληλα, η έρευνα για τη βελτίωση των ιδιοτήτων των επιστρωµάτων αυτών οδήγησε στη δηµιουργία νέων «αρχιτεκτονικών», όπως είναι τα επιστρώµατα βαθµιαίας µεταβολής της χηµικής σύστασης και τα επιστρώµατα άµορφου άνθρακα µε ιδιότητες διαµαντιού (Diamond-like Carbon coatings, DLC). Αυτά τα δυο νέα, σχετικά, επιστρώµατα εµφανίζουν εντυπωσιακά υψηλές αντοχές σε τριβή/ φθορά και σε κόπωση. Με βάση τις δράσεις που λαµβάνουν χώρα, οι τεχνικές εναπόθεσης µικρού πάχους κατατάσσονται σε δυο κύριες κατηγορίες: Τεχνικές Φυσικής Εναπόθεσης Ατµών (Physical Vapour Deposition, PVD) Τεχνικές Χηµικής Εναπόθεσης Ατµών (Chemical Vapour Deposition, CVD)

9 8 Κοινό στοιχείο των δυο τεχνικών είναι το ότι στον αντιδραστήρα επικάλυψης, το προς εναπόθεση υλικό είναι ή µεταβαίνει σε αέρια κατάσταση. Καθεµία από τις κατηγορίες αυτές περιλαµβάνει πλήθος τεχνικών, οι οποίες διαφοροποιούνται µεταξύ τους βάσει των µεθόδων ατµοποίησης του προς εναπόθεση στοιχείου, του τρόπου επιτάχυνσης των ατόµων προς το υπόστρωµα και της χρήσης ή όχι ατµόσφαιρας πλάσµατος ή δέσµης ιόντων ή δέσµης laser που υποβοηθούν την εναπόθεση ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΝΑΠΟΘΕΣΗ ΑΤΜΩΝ Οι τεχνικές Φυσικής Εναπόθεσης Ατµών διακρίνονται σ αυτές που λαµβάνουν χώρα υπό υψηλό κενό: τεχνικές Εξάχνωσης υπό κενό (Vacuum evaporation deposition) και σ αυτές που πραγµατοποιούνται σε ατµόσφαιρα πλάσµατος (Sputtering):. 1. Απόθεση µε εξάχνωση υπό κενό Κύριο χαρακτηριστικό της τεχνικής είναι η ανάπτυξη στο θάλαµο εναπόθεσης πολύ υψηλών θερµοκρασιών. Η εναπόθεση πραγµατοποιείται σε τρία στάδια: Στο θάλαµο εναπόθεσης (σχήµα 3.2) δηµιουργείται κενό, δηλαδή η πίεση του θαλάµου διατηρείται σε τιµές χαµηλότερες των 10-3 Pα. Σχήµα 3.2. Θάλαµος εναπόθεσης µε εξάχνωση υπό κενό. Το προς εναπόθεση υλικό, το οποίο έχει εισαχθεί στο θάλαµο σε στερεή κατάσταση µε τη µορφή κόνεως ή ράβδου (στόχος), εξαχνώνεται. Η εξάχνωση επιτυγχάνεται µε

10 9 θέρµανση µέσω ωµικών αντιστάσεων, µε γεννήτρια υψηλών συχνοτήτων, µε βοµβαρδισµό ηλεκτρονίων ή µε δέσµη laser. Ατµοί του εξαχνούµενου υλικού συµπυκνώνονται στην επιφάνεια του υποστρώµατος, όπου σχηµατίζουν την επικάλυψη. Λόγω του υψηλού κενού, στο θάλαµο το εξαχνούµενο υλικό παραµένει υπό µορφή στοιχειωδών σωµατιδίων (ατόµων), τα οποία δε συγκρούονται µεταξύ τους, αλλά κινούνται σε ευθείες γραµµές προς το υπόστρωµα που τοποθετείται µπροστά από το στόχο και σε απόσταση cm απ αυτόν. Κατά την εναπόθεση, τα στοιχειώδη σωµατίδια φτάνουν στο υπόστρωµα µε κινητική ενέργεια αντίστοιχη της θερµοκρασίας του θαλάµου. Εκεί, αποβάλλουν την ενέργειά τους και η θερµοκρασία του υποστρώµατος αυξάνεται (συνήθως ~500 C). Στην επιφάνεια του υποστρώµατος τα σωµατίδια κινούνται κατά τυχαίο τρόπο και η στερεοποίησή τους αρχίζει σε σηµεία της επιφάνειας όπου υπάρχουν κρυσταλλικές ατέλειες ή ακαθαρσίες και οι οποίες δρούν ως σηµεία έναρξης πυρηνοποίησης. 2. Sputtering Σε αντίθεση µε την προηγούµενη τεχνική, κατά το Sputtering η εναπόθεση λαµβάνει χώρα εν ψυχρώ σε ατµόσφαιρα αντινοβολούντος πλάσµατος (σχήµα 3.3). Σχήµα 3.3. Σηµατική παρουσίαση της τεχνικής εναπόθεσης ατµών Sputtering.

11 10 Το προς απόθεση υλικό (στόχος) εισάγεται στο θάλαµο υπό τη µορφή στερεού δίσκου, πάχους µερικών χιλιοστών και προσαρµόζεται σε ψυχόµενο ηλεκτρόδιο που αποτελεί την κάθοδο. Ενα δεύτερο ηλεκτρόδιο, η άνοδος τοποθετείται απέναντι από την κάθοδο και αποτελεί, συνήθως, το φορέα του υποστρώµατος. Στο θάλαµο εναπόθεσης διοχετεύεται αδρανές αέριο, συνήθως αργό, και η κάθοδος τίθεται υπό αρνητική τάση. Το πεδίο που αναπτύσσεται µεταξύ ανόδου και καθόδου προκαλεί τον ιονισµό του αδρανούς αερίου που σχηµατίζει ηλεκτρικά αγώγιµο νέφος, το πλάσµα. Τα θετικά ιόντα του πλάσµατος έλκονται από την κάθοδο, όπου βοµβαρδίζουν το στόχο, προκαλώντας εξαγωγή στοιχειωδών σωµατιδίων του προς απόθεση υλικού. Τα σωµατίδια αυτά κινούνται προς την άνοδο, όπου και δηµιουργούν την επιθυµητή επικάλυψη. Η µικροδοµή των επιστρωµάτων που αποτέθηκαν µε την τεχνική Sputtering εξαρτάται από την πίεση του αδρανούς αερίου στο θάλαµο και τη θερµοκρασία του υποστρώµατος (σχήµα 3.4). Σχήµα 3.4. ιάγραµµα ζωνών µικροδοµής κατά την εναπόθεση µε Sputtering. Για δεδοµένη πίεση στο θάλαµο εναπόθεσης και µεταβάλλοντας το λόγο Τ/Τm (όπου T: η θερµοκρασία του υποστρώµατος και Τm: το σηµείο τήξης του υλικού), είναι δυνατή η ανάπτυξη τεσσάρων τύπων µικροδοµής:

12 11 Για χαµηλές τιµές Τ/Τm και σχετικά υψηλή πίεση αερίου λαµβάνεται η κρυσταλλική δοµή της ζώνης 1, η οποία χαρακτηρίζεται από ανάπτυξη κολωνοειδών κόκκων, χαµηλής συνάφειας, κάθετων στην επιφάνεια του υπόστρώµατος. Για χαµηλές τιµές Τ/Τm και σχετικά χαµηλή πίεση αερίου λαµβάνεται η δοµή της ζώνης µετάβασης (Τ). Προκειται για πυκνή δοµή κόκκων εξαιρετικά µικρών διαστάσεων, των οποίων τα όρια είναι δυσδιάκριτα και η επικάλυψη µπορεί να χαρακτηριστεί ως άµορφη. Με αύξηση των τιµών του λόγου Τ/Τm, η λαµβανόµενη δοµή (ζώνη 2 και 3) χαρακτηρίζεται από την ανάπτυξη κολωνοειδών κόκκων, των οποίων το µέγεθος αυξάνεται µε τη θερµοκρασία. Στη ζώνη 2 παρατηρούνται επίσης φαινόµενα διάχυσης µεταξύ των κόκκων, τα οποία εξασφαλίζουν την καλή τους συνάφεια, ενώ στη ζώνη 3, η ανακρυστάλλωση της επικάλυψης µπορεί να οδηγήσει και σε δοµές επίταξης ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΕΝΑΠΟΘΕΣΗ ΑΤΜΩΝ Κατά τη χηµική εναπόθεση ατµών (σχήµα 3.5), η επικάλυψη δηµιουργείται µε τη συµπύκνωση ενός ή περισσότερων αερίων συστατικών στην επιφάνεια στερεού υποστρώµατος µέσω χηµικής αντίδρασης, ενώ η πίεση εργασίας στο θάλαµο εναπόθεσης κυµαίνεται από 1 έως 7 Ρα. Σχήµα 3.5. Σχηµατική παρουσίαση της τεχνικής χηµικής εναπόθεσης ατµών.

13 12 Το αντιδρόν συστατικό, εάν δεν είναι εξαρχής σε αέρια κατάσταση, µεταβαίνει σε αυτήν µε εξάτµιση από την υγρή ή εξάχνωση από τη στερεή και βρίσκεται σε επαφή ή εξαναγκάζεται σε ροή προς το υπόστρωµα, είτε µε εφαρµογή διαφοράς πίεσης, είτε µε την κίνηση φέροντος αερίου. Κατά τη χηµική εναπόθεση ατµών, οι περισσότερες αντιδράσεις που πραγµατοποιούνται είναι ενδόθερµες και για την ενεργοποίησή τους απαιτείται ενέργεια, η οποία συνήθως παρέχεται στο σύστηµα µέσω της θέρµανσης του υποστρώµατος. Οι χηµικές αντιδράσεις που συνήθως λαµβάνουν χώρα στο θάλαµο χηµικής εναπόθεσης από ατµούς συνοψίζονται στον πίνακα 3.2. Πίνακας 3.2. Συνήθεις χηµικές αντιδράσεις σε θάλαµο CVD. ΕΙ ΟΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΑΝΤΙ ΡΑΣΗΣ ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ Αντίδραση αντικατάστασης: (ΒΧ m )+<A> (AX m )+<B> Σχηµατισµός κράµατος Fe-Cr στην επιφάνεια σιδήρου, µε διοχέτευση αέριου CrCl 2 Αντίδραση οξειδοαναγωγής: (ΒΧ m )+m/2(h 2 ) m(hx)+<b> Εναπόθεση Cr, µε διοχέτευση αέριου µίγµατος φθοριούχου χρωµίου και υδρογόνου. (ΒΧ m )+(H n C,N,O, ) <B C,N,O, >+H X,C,N,O Eναπόθεση οξειδίου του τιτανίου, µε διοχέτευση µίγµατος χλωριούχου τιτανίου και υδρατµών. Αντίδραση διάσπασης: ιάσπαση σε Τ: (ΒΧ m ) <Μ>+m/2(X 2 ) Εναπόθεση στερεού Zn, από τη διάσπαση ιωδιούχου ψευδαργύρου. ιάσπαση σε Τ: (Μ(CO) n ) <Μ>+n(CO) Αντίδραση διµερισµού: 2(MX) <M>+(MX 2 ) Εναπόθεση νικελίου από τη διάσπαση ανθρακικού νικελίου. Εναπόθεση Ge µε διάσπαση GeI 2, στην επιφάνεια του υποστρώµατος. Κατά την εναπόθεση, εκτός από τη βασική χηµική αντίδραση, λαµβάνουν χώρα και άλλοι µηχανισµοί που συνεργούν στη δηµιουργία της επικάλυψης (σχήµα 3.6): Τα αέρια αντιδρώντα διαχέονται προς το υπόστρωµα (α), ενώ τα πτητικά προϊόντα της αντίδρασης διαχέονται προς την αέρια φάση µέσω µιας οριακής στοιβάδας (στ). Η αύξηση της µάζας του αερίου που διαχέεται προς το υπόστρωµα προκαλεί αύξηση των πτητικών προϊόντων που επαναδιαχέονται προς την αέρια φάση.

14 13 Σχήµα 3.6. Φυσικοί και χηµικοί µηχανισµοί που λαµβάνουν χώρα στη χηµική εναπόθεση ατµών. Η προσρόφηση ενός ή περισσοτέρων αερίων από την επιφάνεια του υποστρώµατος (β) συνδέεται µε εκρόφηση απ αυτήν των πτητικών προϊόντων της αντίδρασης (ε), ακολουθώντας τους σχετικούς νόµους της φυσικοχηµείας. Ο σχηµατισµός του στερεού (γ) ακολουθεί την κινητική της χηµικής αντίδρασης, ενώ λόγω των υψηλών θερµοκρασιών στο θάλαµο εναπόθεσης ευνοούνται φαινόµενα διάχυσης σε στερεή κατάσταση (δ) διαµέσου της επιφάνειας του υποστρώµατος προς το εσωτερικό του. Η τελευταία δράση ελέγχεται από το 2ο νόµο του Fick. Η ύπαρξη στοιβάδας διάχυσης ενισχύει την αντοχή της πρόσφυσης επιστρώµατος/ υποστρώµατος. Στο σχήµα 3.7, παρουσιάζεται η µικροδοµή CVD επικάλυψης πολυκρυσταλλικού διαµαντιού σε υπόστρωµα πυριτίου από µίγµα µεθανίου (1%) και υδρογόνου. Σχήµα 3.7. Μικροδοµή πολυκρυσταλλικού διαµαντιού CVD: (α) Κάτοψη και (β) Κάθετη τοµή.

15 ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΘΕΡΜΙΚΟΥ ΨΕΚΑΣΜΟΥ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΜΕΓΑΛΟΥ ΠΑΧΟΥΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΘΕΡΜΙΚΟΥ ΨΕΚΑΣΜΟΥ Ο όρος Θερµικός Ψεκασµός (Plasma Spraying) περιγράφει µια οµάδα κατεργασιών απόθεσης, κατά τις οποίες κεραµικά ή µεταλλικά σωµατίδια, ή και µίγµα τους, σε λεπτοµερή διαµερισµό, διοχετεύονται σε ρεύµα αερίου υψηλής θερµοκρασίας και αποτίθενται στην προς επικάλυψη επιφάνεια σε κατάσταση πλήρους ή µερικής τήξης. Εκεί στερεοποιούνται ταχύτατα παρέχοντας το επιδιωκόµενο επίστρωµα. Το υλικό απόθεσης παρέχεται υπό µορφή σκόνης, σύρµατος ή ράβδου, απ όπου εξάγονται τα προς απόθεση σωµατίδια. Λόγω των χαµηλών θερµοκρασιών που αναπτύσσονται στο υπόστρωµα, κατά τον ψεκασµό, (ως 200 ºC) οι τεχνικές αυτές είναι κατάλληλες για την κάλυψη υλικών χαµηλού σηµείου τήξης, π.χ. θερµοσκληρυνόµενων πολυµερών. Tα λαµβανόµενα επιστρώµατα, -µε σύνηθες πάχος από 50 µm έως µερικά εκατοστά,- βρίσκουν ευρύτατες εφαρµογές που σχετίζονται µε την προστασία από φθορά λόγω τριβής και µηχανικής διάβρωσης, την προστασία από διάβρωση και οξείδωση σε υψηλές θερµοκρασίες, τη θερµική και ηλεκτρική µόνωση, τη βιοσυµβατότητα και την υπεραγωγιµότητα. Ειδικότερα, οι κεραµικές επικαλύψεις θερµικού ψεκασµού χρησιµοποιούνται, κυρίως, για την προστασία από φθορά και ως θερµικά φράγµατα, στην αεροναυπηγική, την αυτοκινητοβιοµηχανία, τη βιοµηχανία κατασκευής σκαπτικών εργαλείων, εργαλείων επεξεργασίας βιοµηχανικών ορυκτών και µεταλλευµάτων, τη χαρτοβιοµηχανία, την κλωστοϋφαντουργία, κλπ. Ανάλογα µε την πηγή θερµότητας που χρησιµοποιείται, οι τεχνικές θερµικού ψεκασµού διακρίνονται σε τέσσερεις κατηγορίες (σχήµα 3.8): (α) Ψεκασµός µε χρήση φλόγας καύσης (combustion flame spraying), σχήµα 3.8α. Η φλόγα καύσης δηµιουργείται µε ανάφλεξη µίγµατος οξυγόνου-ακετυλενίου, µετά τη διέλευσή του από κατάλληλο ακροφύσιο. Το προς απόθεση υλικό εισάγεται µε τη µορφή σκόνης ή σύρµατος, στη φλόγα και επιταχύνεται κινούµενο προς το υπόστρωµα όπου και αποτίθεται. Λόγω της χαµηλής θερµοκρασίας της φλόγας (~3.000 C) και της µικρής ταχύτητας κίνησης των σωµατιδίων ( m/s), τα λαµβανόµενα επιστρώµατα είναι εξαιρετικά πορώδη (10-15%). Αν αυτά είναι

16 15 µεταλλικά, παρουσιάζουν έντονη τάση προς οξείδωση. Παρότι είναι η οικονοµικότερη των τεχνικών θερµικού ψεκασµού, οι χρήσεις της περιορίζονται σε περιπτώσεις που το υψηλό πορώδες ή το υψηλό ποσοστό οξειδίων (10-15%) στο επίστρωµα, έχουν ευνοϊκές επιπτώσεις. Σχήµα 3.8. Σχηµατική αναπαράσταση των τεχνικών θερµικού ψεκασµού

17 16 (β) Ψεκασµός µε δηµιουργία ηλεκτρικού τόξου (arc wire spraying), σχήµα 3.8β Η τεχνική περιορίζεται για εφαρµογές, στις οποίες το προς απόθεση υλικό είναι αγώγιµο. υο καταναλισκόµενα ηλεκτρόδια θερµαίνονται στο ένα άκρο τους, µέσω ωµικής αντίστασης, και τήκονται. Με τη βοήθεια πεπιεσµένου αέρα, το τηγµένο υλικό οδηγείται προς την επιφάνεια του υποστρώµατος,. Η θερµοκρασία του αέρα φτάνει τους C, ενώ η ταχύτητα των σωµατιδίων τα 240 m/s. Τα λαµβανόµενα επιστρώµατα εµφανίζουν, επίσης, υψηλό πορώδες (10-20%) και υψηλό ποσοστό οξειδίων (10-20%), έχουν ωστόσο καλύτερη πρόσφυση στο υπόστρωµα, λόγω της υψηλής ταχύτητας µε την οποία προσκρούουν σ αυτό. (γ) Ψεκασµός υψηλής ταχύτητας µε χρήση φλόγας καύσης (high velosity combustion spraying ή high velocity oxygen flame, HVOF). Mε την τεχνική αυτή επιτυγχάνονται υπερηχητικές ταχύτητες ψεκασµού ( m/s) και θερµοκρασίες έως C, ενώ τα λαµβανόµενα επιστρώµατα έχουν χαµηλό πορώδες (1-2%), χαµηλό ποσοστό περιεχοµένων οξειδίων (1-5%) και πολύ καλή πρόσφυση στο υπόστρωµα. Οι κυριότερες παραλλαγές της τεχνικής είναι: Ο ψεκασµός µε χρήση κάνης εκτόνωσης (detonation gun spraying, D-gun), σχήµα 3.8γ. Η θερµότητα παρέχεται µέσω ελεγχόµενων εκρήξεων, κατά την ανάφλεξη µίγµατος οξυγόνου-ακετυλενίου µε τη βοήθεια ηλεκτρικού σπινθήρα. Σκόνη του πρός απόθεση υλικού εισάγεται παραλλήλως του επιµήκους άξονα του κυλινδρικού δαυλού, επιταχύνεται από τα αέρια της καύσης, εξέρχεται από το δαυλό µε υπερηχητική ταχύτητα (~750 m/s) και προσπίπτοντας στην επιφάνεια του υποστρώµατος σχηµατίζει το υψηλής ποιότητας επίστρωµα. Η τεχνική Jet-Kote, σχήµα 3.8δ. Με την τεχνική αυτή, η θερµότητα παρέχεται από ανάφλεξη µίγµατος υδρογόνου-οξυγόνου, σε θάλαµο υψηλής πίεσης. Τα καυσαέρια, που µεταφέρουν σκόνη του προς απόθεση υλικού, εξέρχονται από το δαυλό, µέσω ακροφυσίου µικρής διαµέτρου. Ετσι, επιτυγχάνονται ταχύτητες της τάξης των m/s. (δ) Ψεκασµός µε χρήση πλάσµατος (plasma spraying). Ο δαυλός πλάσµατος αποτελείται από δυο ηλεκτρόδια, µεταξύ των οποίων δηµιουργείται ηλεκτρικό

18 17 τόξο, µε εκκένωση υψηλής συνεχούς τάσης. Αδρανές αέριο, -συνήθως, αργό ή µίγµα αργού µε άζωτο, ήλιο ή υδρογόνο,- διοχετευόµενο µεταξύ των ηλεκτροδίων, θερµαίνεται και ιονίζεται πλήρως, δηµιουργώντας πλάσµα, το οποίο εξέρχεται του δαυλού µε τη µορφή φλόγας υψηλής θερµοκρασίας ( C) και ταχύτητας ( m/s). H σκόνη του προς απόθεση υλικού εισάγεται κάθετα στη φλόγα του πλάσµατος. Ανάλογα µε το περιβάλλον όπου λαµβάνει χώρα ο ψεκασµός, διακρίνουµε τέσσερεις κύριες παραλλαγές της τεχνικής: Ψεκασµός πλάσµατος στον αέρα (air plasma spraying, APS) ή Ατµοσφαιρικός ψεκασµός πλάσµατος, σχήµα 3.8ε. H τεχνική χρησιµοποιείται, κυρίως, για τη δηµιουργία κεραµικών επιστρωµάτων, δεδοµένου ότι οι µεταλλικές σκόνες, στον αέρα και σε υψηλές θερµοκρασίες οξειδώνονται. Η ταχύτητα κίνησης των σωµατιδίων είναι m/s και το λαµβανόµενο επίστρωµα έχει πορώδες 8-10% και πολύ καλή πρόσφυση µε το υπόστρωµα. Ψεκασµός πλάσµατος σε περιβάλλον αργού (argon-shrouded plasma spraying, ASPS). Ψεκασµός πλάσµατος υπό κενό (vacuum plasma spraying, VPS) ή χαµηλή πίεση (low pressure plasma spraying, LPPS), σχήµα 3.8στ. Με τις τεχνικές αυτές επιτυγχάνονται υψηλότερες ταχύτητες κίνησης των σωµατιδίων ( m/s) και το λαµβανόµενο επίστρωµα έχει ελάχιστο πορώδες (έως 2%) και ποσοστό οξειδίων (<0,5%). Ψεκασµός πλάσµατος υπό ελεγχόµενη ατµόσφαιρα (controlled atmosphere plasma spraying, CAPS). Αποτελεί την πλέον προηγµένη τεχνολογία ψεκασµού πλάσµατος, ωστόσο οι δυνατότητές της δεν έχουν ακόµη διερευνηθεί πλήρως. O ψεκασµός γίνεται σε υψηλή πίεση (4 atm), που διεκολύνει τις θερµικές ανταλλαγές µέσα στη φλόγα του πλάσµατος και επιτρέπει την οµοιογενή απόθεση και αδροµερέστερων σωµατιδίων (>100µm). Tαυτόχρονα, το αδρανές αέριο ανακυκλώνεται µέσω φίλτρων και εναλλακτών θερµότητας, υποβοηθώντας έτσι την ψύξη του υποστρώµατος και την εξοικονόµηση αερίου.

19 ΚΥΡΙΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΑΠΟΘΕΣΗΣ Οι κρίσιµες παράµετροι θερµικού ψεκασµού που επηρεάζουν την ποιότητα της επικάλυψης µπορούν να ταξινοµηθούν σε αυτές που επιδρούν στην κατανοµή των θερµοκρασιών στη φλόγα του πλάσµατος, στους µηχανισµούς αλληλεπίδρασής της µε τα σωµατίδια του ψεκαζοµένου υλικού και στη στερεοποίηση των τελευταίων στην προς επικάλυψη επιφάνεια. 1. Θερµοκρασιακή κατανοµή στη φλόγα πλάσµατος Η θερµοκρασιακή κατανοµή εντός της φλόγας του πλάσµατος εξαρτάται τόσο από τη φύση, την παροχή και την πίεση των χρησιµοποιούµενων αδρανών αερίων, όσο και από την εφαρµοζόµενη ηλεκτρική τάση, που προκαλεί τον ιονισµό τους, για δεδοµένες διαστάσεις και σχήµα δαυλού. Κατά τον ψεκασµό σε ατµοσφαιρική πίεση, η τιµή της παρεχόµενης ισχύος κυµαίνεται από 10 έως 100 kw. Υπό αυτές τις συνθήκες, η θερµική απόδοση εξαρτάται κυρίως από το χρησιµοποιούµενο αέριο και κυµαίνεται από 30 έως 90%. Συνήθως, το ιονιζόµενο αέριο είναι αργό ή µίγµα αργού µε ήλιο ή διατοµικά αέρια, όπως το οξυγόνο, το άζωτο, το υδρογόνο, κλπ. Η προσθήκη των διατοµικών αυτών αερίων προκαλεί σηµαντική αύξηση της ενθαλπίας του πλάσµατος (σχήµα 3.9α), κατά συνέπεια και της θερµοκρασίας της φλόγας που εξέρχεται από το δαυλό. Η θερµοκρασία αυτή ελαττώνεται µε ταχείς ρυθµούς µε την αύξηση της απόστασης από το ακροφύσιο (σχήµα 3.9β), καθώς τα ιονισµένα θερµά αέρια αναµιγνύονται µε τον ψυχρό ατµοσφαιρικό αέρα. Τέλος, για τις ίδιες συνθήκες λειτουργίας, όσο µικρότερη είναι η διάµετρος του ακροφυσίου, τόσο υψηλότερες θερµοκρασίες είναι δυνατό να επιτευχθούν. 2. Αλληλεπίδραση υλικού - φλόγας πλάσµατος Η προς απόθεση σκόνη εισάγεται, καθέτως ή υπό γωνία, στο πλάσµα µέσω ενός ή περισσοτέρων σωλήνων µικρής διαµέτρου, µε τη βοήθεια φέροντος αδρανούς αερίου. Η συµπεριφορά της σκόνης και τα φαινόµενα που λαµβάνουν χώρα κατά την πορεία της µέσα στο δαυλό και, εν συνεχεία, µέσα στη φλόγα του πλάσµατος εξαρτώνται από τα ίδια χαρακτηριστικά της -µορφολογικά, φυσικές και χηµικές ιδιότητες,- τις τιµές των

20 19 παραµέτρων εισαγωγής της στο δαυλό του πλάσµατος, καθώς επίσης και από την κατανοµή των θερµοκρασιών και των χηµικών ειδών που συναντά στην πορεία της. Σχήµα 3.9. (α) Μεταβολή της ενθαλπίας αερίων του πλάσµατος, συναρτήσει της θερµοκρασίας του, σε ατµοσφαιρική πίεση. (β) Ισοθερµοκρασιακές καµπύλες συναρτήσει της αξονικής και της ακτινικής απόστασης από το ακροφύσιο ψεκασµού, για φλόγα πλάσµατος αζώτου-υδρογόνου. (γ) Μεταβολή της ταχύτητας των αερίων πλάσµατος, σε φλόγα µε τη θερµοκρασιακή κατανοµή του σχήµατος (β).

21 20 Τα µορφολογικά χαρακτηριστικά του υλικού που επηρεάζουν τη συµπεριφορά του είναι το σχήµα των σωµατιδίων της σκόνης, το µέγεθος τους και η κατανοµή του τελευταίου. εδοµένου ότι κατά τον ψεκασµό λαµβάνει χώρα τήξη των σωµατιδίων της σκόνης, από τις κρίσιµες παραµέτρους της διεργασίας είναι η ακριβής χηµική σύσταση του ψεκαζοµένου υλικού, η πυκνότητά του, το σηµείο τήξης του, ο συντελεστής θερµικής αγωγιµότητας, η τάση του προς εξάχνωση στις αναπτυσσόµενες υψηλές θερµοκρασίες και η χηµική του αδράνεια στην παρουσία των χηµικών ειδών του πλάσµατος και της περιβάλλουσας ατµόσφαιρας. Ως προς τις παραµέτρους εισαγωγής της σκόνης στο δαυλό του πλάσµατος, καθοριστικό ρόλο στη διεργασία παίζουν το είδος και η παροχή του φέροντος αερίου, ο ρυθµός τροφοδότησης της σκόνης σε αυτό, και, τέλος, η θέση, η διάµετρος και η κλίση των σωλήνων εισαγωγής της στο δαυλό. Η παροχή του φέροντος αερίου, που καθορίζεται µε βάση τη µάζα των σωµατιδίων, πρέπει να εξασφαλίζει την είσοδό τους στον πυρήνα της φλόγας του πλάσµατος, όπου αναπτύσσονται οι υψηλότερες θερµοκρασίες και ταχύτητες αερίων. Εισερχόµενα στο πλάσµα, τα σωµατίδια της σκόνης θερµαίνονται και επιταχύνονται, αποκτώντας την ταχύτητα των αερίων του πλάσµατος σε συγκεκριµένη απόσταση από το ακροφύσιο του δαυλού, η οποία εξαρτάται από τη µάζα και το µέγεθός τους (σχήµα 3.10). Σχήµα Μεταβολή της ταχύτητας σωµατιδίων αλούµινας, διαφόρων µεγεθών, κατά την κίνησή της µέσα σε φλόγα πλάσµατος αζώτου-υδρογόνου.