การขึ้นรูปด้วยการพ่น^{[ 1 ]}หรือที่รู้จักกันในชื่อการหล่อด้วยการพ่นการตกตะกอนด้วยการพ่น^{[ 2 ]}และการอัดขึ้นรูปในแหล่งกำเนิด^{[ 3 ]}เป็นวิธีการหล่อ ชิ้นส่วนโลหะที่มีรูปร่างใกล้เคียง กับรูปร่างสุดท้ายที่มี โครงสร้างจุลภาคที่เป็นเนื้อเดียวกัน โดยการตกตะกอนของหยดโลหะกึ่งแข็งที่พ่นลงบนพื้นผิวที่มีรูปร่าง ในการขึ้นรูปด้วยการพ่นโลหะ ผสมจะ ถูกหลอม โดยปกติในเตาเหนี่ยวนำและโลหะหลอมเหลวจะถูกเทอย่างช้าๆ ผ่านท่อรูปกรวยเข้าไปในหัวฉีดเซรามิก ขนาด เล็ก โลหะหลอมเหลวออกจากเตาเป็นลำบางๆ ที่ตกลงมาอย่างอิสระ และถูกทำให้แตกออกเป็นหยดเล็กๆ โดยชุดเจ็ทก๊าซรูปวงแหวน จากนั้นหยดเหล่านี้จะเคลื่อนที่ลงด้านล่าง โดยเร่งความเร็วด้วยเจ็ทก๊าซเพื่อกระทบกับพื้นผิว กระบวนการนี้ถูกจัดเรียงเพื่อให้หยดกระทบกับพื้นผิวในขณะที่อยู่ในสภาพกึ่งแข็ง ซึ่งให้เศษส่วนของเหลวที่เพียงพอที่จะ "ยึด" ส่วนที่เป็นของแข็งเข้าด้วยกัน การตกตะกอนจะดำเนินต่อไป ค่อยๆ สร้างแท่งโลหะที่ขึ้นรูปด้วยการพ่นบนพื้นผิว

กระบวนการขึ้นรูปด้วยการพ่นแก๊ส (GASF) โดยทั่วไปจะมีอัตราการไหลของโลหะผสมหลอมเหลวอยู่ที่ 1–20 กก./นาที แม้ว่าระบบหัวฉีดคู่จะสามารถเพิ่มอัตราการไหลของโลหะได้ถึง 80 กก./นาที มีการผลิตแท่งเหล็กพิเศษที่มีน้ำหนัก 1 ตันขึ้นไปโดยใช้กระบวนการขึ้นรูปด้วยการพ่นในเชิงพาณิชย์ รวมถึงชิ้นงานวงแหวนโลหะ ผสม นิกเกิลซูเปอร์อัลลอย ที่มีน้ำหนักมากถึง 500 กก. และแท่ง อลูมิเนียมอัลลอยสำหรับการอัดขึ้นรูปที่มีน้ำหนักมากถึง 400 กก.

กระบวนการ Double Spray Forming ที่พัฒนาขึ้นเมื่อเร็ว ๆ นี้ สามารถวางโลหะผสมสองประเภทพร้อมกันภายใต้บรรยากาศอาร์กอนบริสุทธิ์สูงที่ปกป้อง ซึ่งช่วยให้สามารถผลิตวัสดุคอมโพสิตแบบชั้นในสถานที่ได้ วิธีนี้ช่วยให้สามารถวางวัสดุโลหะที่แตกต่างกันทีละชั้นโดยตรง (ชั้นที่ 1 เป็นวัสดุแข็งและชั้นที่ 2 เป็นวัสดุอ่อน) จากเจ็ทตรงข้ามสองเจ็ทด้วยการยึดเกาะระหว่างชั้นที่ดีโดยไม่มีการก่อตัวของออกไซด์ภายใน ^{[ 4 ]}

ศาสตราจารย์ซิงเกอร์แห่งมหาวิทยาลัยสวอนซีเป็นผู้ริเริ่มแนวคิดการขึ้นรูปด้วยการพ่นละอองแก๊สในทศวรรษ 1970 โดยใช้เจ็ทแก๊สแรงดันสูงพ่นใส่กระแสโลหะหลอมเหลวที่เสถียรเพื่อทำให้เกิดการแตกตัวเป็นละออง ละอองที่เกิดขึ้นจะถูกเก็บรวบรวมบนเป้าหมาย ซึ่งสามารถปรับแต่งภายในละอองและนำไปใช้ในการขึ้นรูปแท่งโลหะที่มีความหนาแน่นเกือบสมบูรณ์และมีรูปร่างใกล้เคียงกับรูปร่างสุดท้าย การขึ้นรูปด้วยการพ่นละอองได้ถูกนำไปประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมเฉพาะทาง เช่นการหุ้ม ท่อ เตาเผา ขยะ ด้วยสแตนเลส ; แผ่นและวงแหวน โลหะ ผสมนิกเกิล สำหรับ เครื่องยนต์อากาศยาน ; เป้าหมายการสปัตเตอร์ของอะลูมิเนียม-ไทเทเนียม อะลูมิเนียม-นีโอไดเมียม และอะลูมิเนียม-เงิน; โลหะผสมอะลูมิเนียม- ซิลิคอนสำหรับปลอกกระบอกสูบ ; และเหล็กกล้าความเร็วสูงประวัติศาสตร์ของการขึ้นรูปด้วยการพ่นละอองเป็นตัวอย่างที่แสดงให้เห็นว่าการมีส่วนร่วมอย่างสร้างสรรค์ของนักวิจัยจำนวนมากตลอดหลายปีที่ผ่านมามีความจำเป็นเพียงใดในการสร้างนวัตกรรมของกระบวนการทางอุตสาหกรรมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน

การขึ้นรูปด้วยการพ่นสเปรย์มีข้อดีหลายประการเหนือกว่าทั้งการขึ้นรูปโลหะแบบ ดั้งเดิม และเทคนิคเฉพาะทางอื่นๆ เช่นการขึ้นรูปโลหะผงประการแรก กระบวนการนี้มีความยืดหยุ่นและสามารถใช้ในการผลิตวัสดุได้หลากหลายชนิด ซึ่งบางชนิดยากที่จะผลิตด้วยวิธีอื่นๆ เช่น โลหะผสม อลูมิเนียม -ลิเธียม 5% โดยน้ำหนัก หรือวัสดุคอมโพสิตเมทริกซ์โลหะ₍ MMC) อลู มิเนียม -ซิลิคอนคาร์ไบด์ และอลูมิเนียม- _อลูมิเนียมออกไซด์ การทำให้กระแสโลหะหลอมเหลวแตกตัวเป็นหยดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 10-500 ไมโครเมตร ซึ่งบางส่วนขึ้นอยู่กับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง จะเย็นตัวอย่างรวดเร็วไปสู่สถานะของแข็งและกึ่งของแข็ง ทำให้เกิดนิวเคลียสจำนวนมากสำหรับส่วนของเหลวที่เหลืออยู่ของวัสดุที่ขึ้นรูปด้วยการพ่นสเปรย์บนพื้นผิวด้านบนของแท่งโลหะ การรวมกันของการเย็นตัวอย่างรวดเร็วในสเปรย์และการสร้างนิวเคลียสของแข็งจำนวนมากในสเปรย์ที่กระทบ ทำให้เกิดโครงสร้างจุลภาคแบบไอโซโทรปิกละเอียด โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 10–100 ไมโครเมตร โดยมีระดับต่ำและขนาดความยาวสั้นของการกระจายตัวของสารละลายภายใน ลักษณะโครงสร้างจุลภาคเหล่านี้ให้ข้อดีในด้านความแข็งแรงของวัสดุ เนื่องจากขนาดเกรนละเอียด การกระจายตัวที่ละเอียดของเฟสอนุภาคหรือ เฟส ตกตะกอน รอง และความทนทานต่อธาตุเจือปน "ขยะ" โครงสร้างละเอียดนี้ในสภาพ "พ่นขึ้นรูป" หมายความว่า สามารถหลีกเลี่ยง การอบชุบความร้อน เพื่อให้เป็นเนื้อเดียวกัน ได้บ่อยครั้ง เนื่องจากเส้นทางการแข็งตัวที่ซับซ้อน (นั่นคือ การเปลี่ยนผ่านอย่างรวดเร็วจากของเหลวหลอมเหลวที่ร้อนจัดไปเป็นของแข็ง ของเหลว หรือหยดกึ่งของแข็ง ไปสู่สมดุลอุณหภูมิที่ด้านบนของแท่งกึ่งของแข็ง และการเย็นตัวอย่างช้าๆ ในขั้นสุดท้ายจนเป็นของแข็งทั้งหมด) ของวัสดุที่ขึ้นรูปด้วยการพ่น จึงมีการรายงานถึงความสามารถในการละลายที่เพิ่มขึ้นของธาตุผสม และการก่อตัวของเฟสที่ไม่เสถียรและกึ่งผลึกด้วย

หนึ่งในจุดเด่นสำคัญของการขึ้นรูปด้วยการพ่นสเปรย์คือประโยชน์ทางเศรษฐกิจที่อาจได้รับจากการลดจำนวนขั้นตอนการผลิตระหว่างการหลอมและการผลิตผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป การขึ้นรูปด้วยการพ่นสเปรย์สามารถใช้ในการผลิตแผ่นโลหะ ท่อ วงแหวน แท่ง/ม้วนเคลือบ และผลิตภัณฑ์ป้อนเข้าสำหรับการอัดขึ้นรูปทรงกระบอก ซึ่งในแต่ละกรณีจะมีโครงสร้างจุลภาคที่ค่อนข้างละเอียดแม้ในส่วนตัดขวางขนาดใหญ่ ประโยชน์ของ GASF เหนือกว่าโลหะวิทยาผงนั้นมาจากการลดจำนวนขั้นตอนการผลิต ซึ่งสามารถขจัดขั้นตอนการร่อนผง การอัด การไล่แก๊ส และการจัดการ รวมถึงปัญหาด้านความปลอดภัยและการปนเปื้อนที่เกี่ยวข้องได้

กระบวนการขึ้นรูปด้วยการพ่นละอองแก๊สมีข้อเสียเปรียบหลักสองประการ ข้อเสียเปรียบที่สำคัญที่สุดคือผลผลิตของกระบวนการค่อนข้างต่ำ โดยทั่วไปมีการสูญเสียประมาณ 30% การสูญเสียเกิดขึ้นเนื่องจากการพ่นเกิน (ละอองไม่โดนชิ้นงานที่กำลังขึ้นรูป) การกระเด็นของวัสดุจากพื้นผิวชิ้นงาน และวัสดุกระเด็นออกจากพื้นผิวกึ่งแข็งด้านบน ผู้ใช้งานกระบวนการขึ้นรูปด้วยการพ่นหลายรายในปัจจุบันใช้ระบบฉีดอนุภาคเพื่อฉีดผงที่พ่นเกินกลับเข้าไปใหม่ เพื่อนำวัสดุที่อาจสูญเสียไปกลับมาใช้ใหม่ หรือขายผงที่พ่นเกินเป็นผลิตภัณฑ์ได้เลย ข้อเสียเปรียบหลักประการที่สองคือเรื่องของการควบคุมกระบวนการ เนื่องจากเป็นกระบวนการขึ้นรูปอิสระที่มีตัวแปรที่เกี่ยวข้องกันหลายอย่าง จึงเป็นเรื่องยากที่จะคาดการณ์รูปร่างความพรุนหรืออัตราการตกตะกอนสำหรับโลหะผสมที่กำหนด การควบคุมส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับประสบการณ์ของผู้ปฏิบัติงานและความสัมพันธ์เชิงประจักษ์ ความซับซ้อนของกระบวนการและการขาดการควบคุมกระบวนการที่แข็งแกร่งเป็นส่วนหนึ่งที่ขัดขวางการนำกระบวนการนี้ไปใช้ในเชิงพาณิชย์อย่างแพร่หลาย การพัฒนาบางอย่างที่ใช้การควบคุมแบบป้อนกลับได้พิสูจน์แล้วว่าประสบความสำเร็จในการปรับปรุงความแปรปรวนของเส้นผ่านศูนย์กลางแท่งโลหะและเพิ่มผลผลิตในระบบเฉพาะ แต่ยังไม่ได้รับการนำไปใช้ในวงกว้าง

รูพรุนที่เกิดจากการดักจับก๊าซและการหดตัวจากการแข็งตัวเป็นปัญหาสำคัญในวัสดุที่ขึ้นรูปด้วยการพ่น โดยทั่วไปแล้วชิ้นงานที่ขึ้นรูปด้วยการพ่นจะมีรูพรุน 1-2% โดยขนาดของรูพรุนจะขึ้นอยู่กับช่วงการแข็งตัวของโลหะผสมและพารามิเตอร์กระบวนการต่างๆ การอัดขึ้น รูป ด้วยความดันไอโซสแตติกสูง (HIP) หรือกระบวนการทางความร้อนเชิงกลสามารถซ่อมแซมรูพรุนเหล่านี้ได้หากรูพรุนมีขนาดเล็ก (น้อยกว่า 30 ไมโครเมตร) แม้จะมีข้อเสียเหล่านี้ การขึ้นรูปด้วยการพ่นยังคงเป็นกระบวนการที่ประหยัดสำหรับการผลิตโลหะผสมเฉพาะกลุ่มที่ผลิตได้ยาก รูพรุนขนาดใหญ่ซ่อมแซมได้ยากกว่าและต้องลดให้น้อยที่สุดโดยการควบคุมกระบวนการอย่างระมัดระวัง ในบางกรณี รูพรุนจะถูกควบคุมโดยการเติมโลหะผสมที่ทำปฏิกิริยากับก๊าซที่ละลายและดักจับอยู่เพื่อสร้างเฟสของแข็ง เช่น การเติมไทเทเนียมลงในแท่งทองแดงเพื่อสร้างไทเทเนียมไนไตรด์ ที่มี ก๊าซไนโตรเจนที่ละลายและดักจับอยู่แม้หลังจากการรวมตัวกันแล้ว รูพรุนก็ยังสามารถจำกัดการใช้งานของวัสดุที่ขึ้นรูปด้วยการพ่นได้ ตัวอย่างเช่น ชิ้นส่วนกังหันก๊าซแบบหมุนต้องไม่มีรูพรุนเลย เนื่องจากจะส่งผลเสียต่อความล้าจากการใช้งานซ้ำหลายรอบ (HCF)

แม้จะมีปัญหาที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการขึ้นรูปด้วยการพ่น แต่กระบวนการนี้ก็ยังคงได้รับความสนใจจากภาคอุตสาหกรรมอย่างต่อเนื่องตลอด 35 ปีที่ผ่านมา บริษัท Sandvik-Osprey (เดิมชื่อ Osprey Metals Ltd) จากเมืองนีธ ประเทศเวลส์ถือครองสิทธิบัตรในกระบวนการนี้และได้อนุญาตให้อุตสาหกรรมต่างๆ ใช้เทคโนโลยีนี้ ปัจจุบันมีผู้ได้รับอนุญาตประมาณ 25 รายทั่วโลก ตั้งแต่โรงงานวิจัยและพัฒนาขนาดเล็กไปจนถึงการดำเนินงานเชิงพาณิชย์เต็มรูปแบบ การใช้งานหลัก ได้แก่ วัสดุตั้งต้นสำหรับตัวนำยิ่งยวดNb₃Sn อุณหภูมิ ต่ำ อุปกรณ์ขุดเจาะน้ำมัน (วัสดุความแข็งแรงสูง CuMnNi) และเครื่องมือขึ้นรูป (CuAlFe ที่มีปริมาณ Al สูง) ในการใช้งานทั้งหมดนี้ การวิจัยมุ่งเน้นไป _ที่ การหาจุดลงตัวระหว่างข้อเสียด้านต้นทุนและความซับซ้อนของการขึ้นรูปด้วยการพ่น กับความต้องการโลหะผสมประสิทธิภาพสูงในการใช้งานเฉพาะกลุ่ม

การขึ้นรูปด้วยการพ่นในยุคแรกเริ่มนั้นใช้เตาหลอมไฟฟ้าแบบ ให้ความร้อน ด้วยความต้านทาน โลหะหลอมเหลวจะไหลผ่านหัวฉีดอลูมิเนียมออกไซด์(Al₂O₃ ) _{ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง} 3 มิลลิเมตร อย่างไรก็ตาม อัตราการไหลต่ำทำให้จำเป็นต้องใช้ความร้อนสูงเพื่อป้องกันการแข็งตัวในหัวฉีด กระบวนการหลอมโลหะรุ่นใหม่ในงานขึ้นรูปด้วยการพ่นคือหน่วยเหนี่ยวนำแบบ เทจากด้านล่าง ซึ่งมีข้อดีหลายประการ ในระบบนี้ เบ้าหลอมจะอยู่เหนือหัวฉีดโดยตรง โดยมีหัวฉีดเซรามิกป้อนโลหะหลอมเหลวจากเตาหลอมไปยังหัวฉีดโดยตรง แท่งกั้นจะวิ่งผ่านโลหะหลอมเหลวไปยังด้านบนของหัวฉีด แท่งกั้นจะถูกดึงออกเมื่อโลหะหลอมเหลวถึงอุณหภูมิที่กำหนดสำหรับการพ่น ซึ่งโดยทั่วไปจะสูงกว่าจุดหลอมเหลว ของโลหะผสมประมาณ 50 ถึง 150 องศาเซลเซียส (122 ถึง 302 องศาฟาเรนไฮต์) หรืออีกทางเลือกหนึ่งคือ ใช้ปลั๊กโลหะผสมที่เตรียมไว้ล่วงหน้าเพื่ออุดหัวฉีด และเมื่อถึงความร้อนสูง ที่กำหนด ปลั๊กนี้จะละลาย ทำให้โลหะหลอมเหลวจากเตาหลอมไหลผ่านหัวฉีดได้ อีกปัญหาหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับเตาหลอมแบบเทจากด้านล่างคือการเปลี่ยนแปลงอัตราการไหลที่เกิดจากการลดลงของความดันโลหะในเบ้าหลอม ในบางกรณี การเพิ่ม แรงดันเกิน ของก๊าซเฉื่อยในระหว่างการเทสามารถชดเชยผลกระทบนี้ได้

อีกแนวทางหนึ่งคือเตาหลอมแบบเอียงเท ซึ่งใช้เตาเหนี่ยวนำไฟฟ้าแบบเอียงเพื่อเทโลหะหลอมเหลวลงในท่อส่งทรงกรวย ซึ่งจะส่งโลหะหลอมเหลวไปยังหัวฉีดส่งโลหะหลอมเหลว ระบบเอียงเทมีข้อดีคือ กระบวนการหลอมแยกออกจากกระบวนการพ่น ทำให้ปัญหาการหลอมและการแก้ไขปัญหาไม่ส่งผลกระทบหรือรบกวนการตั้งค่าที่สำคัญของหัวฉีดส่งโลหะหลอมเหลว

ในกระบวนการหลอมที่ซับซ้อนที่สุด ซึ่งใช้เฉพาะในการผลิตชิ้นส่วนขึ้นรูปกังหันโลหะผสม นิกเกิลพิเศษ โดยวิธีการพ่น ขึ้นรูป (spray forming) นั้น GEได้ผสมผสานการหลอมด้วยการเหนี่ยวนำ สุญญากาศ การหลอมซ้ำด้วยไฟฟ้าสถิต และเบ้าหลอมแบบเย็น เพื่อควบคุมระดับสิ่งเจือปนในโลหะผสมและการมีอยู่ของสารกึ่งตัวนำที่ทนความร้อนในโลหะหลอมเหลว กระบวนการพ่นขึ้นรูปโลหะสะอาด (Clean Metal Spray Forming : CMSF) ผสมผสานกระบวนการกลั่นด้วยไฟฟ้าสถิต ตัวนำเหนี่ยวนำแบบผนังเย็น และการพ่นขึ้นรูปด้วยแก๊ส วิธีการนี้ส่งผลให้จำนวนข้อบกพร่องที่เกี่ยวข้องกับโลหะหลอมเหลว (รูพรุน สิ่งเจือปน ฯลฯ) ลดลง ขนาดเกรนเฉลี่ยละเอียดขึ้น สามารถผลิตแท่งโลหะขนาดใหญ่ขึ้น และสามารถแปรรูปโลหะผสมได้หลากหลายชนิดมากขึ้น

มีเทคนิคการทำให้โลหะหลอมเหลวเป็นละอองหลายวิธี ซึ่งหลายวิธีนั้นได้มาจากอุตสาหกรรมโลหะผงและได้รับการทบทวนอย่างละเอียดในที่อื่นแล้ว มีเทคนิคการทำให้เป็นละอองหลักสองวิธีที่ใช้ในการขึ้นรูปด้วยการพ่นสเปรย์ ได้แก่ การทำให้เป็นละอองด้วยแรงเหวี่ยงสำหรับการผลิตวงแหวนที่มีรูปร่างใกล้เคียงกับรูปร่างสุดท้าย และการทำให้เป็นละอองด้วยแก๊สสำหรับการผลิตแท่งโลหะ ท่อ และแผ่นโลหะ

การทำให้เป็นละอองด้วยแรงเหวี่ยงเกี่ยวข้องกับการเทโลหะหลอมเหลวด้วยอัตราการไหลค่อนข้างต่ำ (0.1–2 กก./นาที) ลงบนแผ่น จาน หรือแผ่นดิสก์ที่หมุนอยู่ โดยความเร็วในการหมุนนั้นเพียงพอที่จะสร้างแรงเหวี่ยงสูงที่ขอบและเอาชนะแรงตึงผิวและ แรง หนืดทำให้โลหะหลอมเหลวแตกตัวเป็นหยดเล็กๆ ขนาดของหยดที่ผลิตได้จากการทำให้เป็นละอองด้วยแรงเหวี่ยงนั้นขึ้นอยู่กับความเร็วในการหมุนเป็นหลัก (สูงสุด 20,000 รอบต่อนาที) และโดยทั่วไปจะมีขนาดอยู่ในช่วง 20–1000 ไมโครเมตร โดยมีอัตราการเย็นตัวประมาณ 10⁴ เคลวิน/วินาที การทำให้เป็นละอองด้วยแรงเหวี่ยงโดยทั่วไปจะดำเนินการภายใต้บรรยากาศเฉื่อยของอาร์กอนหรือไนโตรเจนเพื่อป้องกันการออกซิเดชันของหยดเล็กๆ หรือสามารถดำเนินการภายใต้ สุญญากาศ_ได้

กระแสหลอมเหลวไหลออกจากหัวฉีดส่งหลอมเหลวเข้าสู่ห้องพ่น กระแสหลอมเหลวได้รับการปกป้องจากการเสียเสถียรภาพโดยสภาพแวดล้อมของก๊าซที่ปั่นป่วนในห้องพ่นด้วยเจ็ทก๊าซหลักที่ทำงานที่ความดันก๊าซเฉื่อยระดับกลาง 2 ถึง 4 บาร์การไหลของก๊าซที่เกิดขึ้นจะขนานกับกระแสหลอมเหลวเพื่อทำให้กระแสหลอมเหลวมีเสถียรภาพ หัวฉีดรองใช้เจ็ทก๊าซความเร็วสูง (250 ถึง 350 เมตร/วินาที⁾ความดันสูง (6 ถึง 10 บาร์) พุ่งชนกระแสหลอมเหลวเพื่อให้เกิดการแตกตัวเป็นละออง เจ็ทของหัวฉีดมักจะจัดเรียงเป็นวงแหวนหรือเป็นเจ็ทแยกกันที่วางตำแหน่งสมมาตรกันรอบหัวฉีดส่งหลอมเหลว หรือในบางกรณีอาจจัดเรียงเป็นหัวฉีดเชิงเส้นสำหรับการผลิตผลิตภัณฑ์แบบแผ่น โดยทั่วไปแล้วเส้นผ่านศูนย์กลางของหยดจะเป็นไปตามการกระจายแบบลอการิทมิกปกติโดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางของผงสูงสุดถึง ~600 ไมโครเมตร และเส้นผ่านศูนย์กลางมัธยฐานของมวลอยู่ที่ประมาณ ~150 ไมโครเมตร

อัตราส่วนของอัตราการไหลของมวล ก๊าซที่ใช้ ในการทำให้เป็นละอองต่ออัตราการไหลของมวลโลหะหลอมเหลวเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการควบคุมเส้นผ่านศูนย์กลางของหยดโลหะ และด้วยเหตุนี้จึงส่งผลต่ออัตราการเย็นตัว อุณหภูมิของแท่งโลหะ และความหนาแน่นของอนุภาคแข็งที่ก่อตัวขึ้น อัตราส่วนก๊าซต่อโลหะ (GMR) โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 1.5 ถึง 5.5 โดยผลผลิตจะลดลงและอัตราการเย็นตัวในละอองจะเพิ่มขึ้นเมื่อ GMR เพิ่มขึ้น โดยทั่วไปที่ GMR ต่ำ (1.5) ผลผลิตจะอยู่ที่ 75% หากเพิ่ม GMR เป็น 5.0 โดยที่พารามิเตอร์อื่นๆ คงที่ ผลผลิตของกระบวนการจะลดลงเหลือ 60%

มีการพัฒนาระบบพ่นละอองแบบสแกน ซึ่งช่วยให้สามารถผลิตชิ้นงานที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางได้ถึง 600 มม. ซึ่งใหญ่กว่าเส้นผ่านศูนย์กลางที่ทำได้ด้วยเครื่องพ่นละอองแบบคงที่ประมาณสองเท่า หัวฉีดจะสั่นด้วยกลไกเป็นมุม 5 ถึง 10° ที่ความถี่ทั่วไป 25 เฮิรตซ์ เพื่อเบี่ยงเบนกระแสโลหะหลอมเหลว ทำให้เกิดเส้นทางการพ่นที่ซิงโครไนซ์กับความเร็วในการหมุนของแผ่นเก็บรวบรวม เพื่อให้ได้ชิ้นงานที่มีด้านขนานกัน การใช้ไดรฟ์หัวฉีดแบบสั่นที่ตั้งโปรแกรมได้ ทำให้สามารถปรับปรุงรูปร่างและความสม่ำเสมอของรูปร่างของชิ้นงานที่ขึ้นรูปด้วยการพ่นได้ มีการแสดงให้เห็นแล้วว่าสามารถพ่นชิ้นงานที่มีด้านขนานและด้านบนเรียบได้อย่างสม่ำเสมอ หากการหมุนของพื้นผิวและความถี่การสั่นของหัวฉีดซิงโครไนซ์และปรับให้เหมาะสมสำหรับโลหะผสมและอัตราการไหลของโลหะหลอมเหลวที่เฉพาะเจาะจง ระบบหัวฉีดคู่รวมหัวฉีดแบบคงที่และแบบสแกนเข้าด้วยกัน ทำให้สามารถพ่นชิ้นงานที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางได้ถึง 450 มม. พร้อมประโยชน์ทางเศรษฐกิจ

ก๊าซที่ใช้ในการพ่นขึ้นรูปด้วยสเปรย์โดยทั่วไปจะเป็นไนโตรเจน (N₂ ₎ซึ่งอาจมีคุณสมบัติในการป้องกันหรือทำปฏิกิริยาได้ ขึ้นอยู่กับระบบโลหะผสม หรืออาร์กอน ซึ่งโดยทั่วไปแล้วเฉื่อยสนิทแต่มีราคาแพงกว่าไนโตรเจน_{สามารถ}เติมก๊าซที่ทำปฏิกิริยาได้ในปริมาณเล็กน้อยลงในก๊าซที่ใช้ในการพ่นเพื่อสร้างโลหะผสมที่เสริมความแข็งแรงด้วยการกระจายตัว ตัวอย่างเช่น การใช้ O₂ 0.5–10% ในไนโตรเจน เพื่อสร้าง_โลหะผสม_{อะลูมิเนียม}ที่เสริมความแข็งแรงด้วยการกระจายตัวของออกไซด์ (ODS) การเปรียบเทียบการพ่นขึ้นรูปด้วยสเปรย์โดยใช้ไนโตรเจน_และอาร์กอน พบว่า เมื่อปัจจัยอื่นๆ คงที่ อุณหภูมิบนยอดแท่งโลหะจะต่ำกว่าเมื่อใช้ไนโตรเจน_{มากกว่า}เมื่อใช้อาร์กอน เนื่องจากความแตกต่างของค่าการแพร่ความร้อนของก๊าซทั้งสองชนิด อาร์กอนมีค่าการนำความร้อน 0.0179 วัตต์/เมตร-เคลวิน ซึ่งต่ำกว่าไนโตรเจนที่มีค่าการนำความร้อน 0.026 วัตต์/เมตร- เคล _{วิน ประมาณหนึ่งในสาม}

กลไกการแตกตัวและการทำให้เป็นละอองของของเหลวหลอมเหลวได้รับการวิจัยอย่างกว้างขวาง โดยแสดงให้เห็นว่าการทำให้เป็นละอองโดยทั่วไปประกอบด้วย 3 ขั้นตอน: (1) การแตกตัวขั้นต้นของกระแสของเหลวหลอมเหลว (2) หยดและเส้นใยของเหลวหลอมเหลวเกิดการแตกตัวขั้นที่สอง (3) อนุภาคเย็นตัวและแข็งตัว การวิเคราะห์เชิงทฤษฎีของกระบวนการทำให้เป็นละอองเพื่อทำนายขนาดของหยดได้ให้แบบจำลองที่สอดคล้องกับข้อมูลการทดลองในระดับปานกลางเท่านั้น

จากการตรวจสอบพบว่า ในทุกกรณี การพ่นโลหะหลอมเหลวด้วยแก๊สจะทำให้ได้หยดโลหะที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางหลากหลาย โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 10–600 ไมโครเมตร โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยประมาณ 100 ไมโครเมตร ขนาดของหยดโลหะมีผลต่อพฤติกรรมการเคลื่อนที่ของหยดโลหะขณะลอยอยู่ในอากาศ ซึ่งจะส่งผลต่อระยะเวลาในการระบายความร้อนขณะลอยอยู่ในอากาศ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการควบคุมโครงสร้างจุลภาคของชิ้นงานที่ได้ จากการคาดการณ์ที่ระยะการลอยตัว 300–400 มิลลิเมตร พบว่าความเร็วของหยดโลหะอยู่ที่ 40–90 เมตร/วินาที สำหรับหยดโลหะที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ในช่วง 20–150 ไมโครเมตร เมื่อเทียบกับความเร็วที่วัดได้ประมาณ 100 เมตร/วินาที และที่ระยะห่างจากหัวพ่นถึง 180 มิลลิเมตร หยดโลหะยังคงถูกเร่งความเร็วโดยแก๊สอยู่ หยดโลหะจะระบายความร้อนขณะลอยอยู่ในอากาศโดยส่วนใหญ่ผ่านการพาความร้อนและการแผ่รังสี และอาจมีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดหลอมเหลวถึง 300 องศาเซลเซียส (572 องศาฟาเรนไฮต์) ก่อนที่จะเกิดการก่อตัวของนิวเคลียส แบบจำลองและการวัดเชิงทดลองแสดงให้เห็นว่าหย droplets ขนาดเล็ก (<50 μm) จะกลายเป็นของแข็งอย่างสมบูรณ์อย่างรวดเร็วก่อนการตกตะกอน หย droplets ขนาด 50–200 μm โดยทั่วไปจะเป็นกึ่งของแข็ง และหย droplets ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง >200 μm จะเป็นของเหลวเมื่อตกตะกอน ช่วงของประวัติการเปลี่ยนแปลงทางพลศาสตร์และอุณหภูมิของหย droplets ส่งผลให้พื้นผิวด้านบนของชิ้นงานมีสัดส่วนของแข็งอยู่ที่ 0.3 ถึง 0.6 ไม่ใช่ทุกวัสดุที่กระทบกับพื้นผิวจะถูกรวมเข้ากับชิ้นงาน หย droplets ของแข็งบางส่วนจะกระเด็นหรือกระเด็นออกจากพื้นผิวด้านบนของชิ้นงาน หรือถูกพัดออกไปจากบริเวณการตกตะกอนโดยการเคลื่อนที่ของก๊าซแบบปั่นป่วนในห้อง สัดส่วนของหย droplets ที่กระทบกับพื้นผิวเมื่อเทียบกับสัดส่วนที่ถูกรวมเข้ากับชิ้นงานเรียกว่าประสิทธิภาพการยึดเกาะซึ่งขึ้นอยู่กับการยึดเกาะทางเรขาคณิต ซึ่งเป็นฟังก์ชันของมุมการฉีดพ่นเทียบกับพื้นผิวรองรับ และประสิทธิภาพการยึดเกาะทางความร้อนซึ่งขึ้นอยู่กับสัดส่วนของแข็ง/ของเหลวของการฉีดพ่นและชิ้นงาน

ในระหว่างการพ่นเคลือบ จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องรักษาอุณหภูมิพื้นผิวด้านบนให้คงที่ เพื่อรักษาสภาวะสมดุลหากต้องการผลิตชิ้นงานที่มีโครงสร้างจุลภาคที่สม่ำเสมอ ที่พื้นผิวของชิ้นงานในระหว่างการพ่นเคลือบ จะต้องรักษาสมดุลของ เอนทาลปีโดยอัตราการสูญเสียเอนทาลปี (H _out ) จากชิ้นงานโดยการนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสี จะต้องสมดุลกับอัตราการป้อนเอนทาลปี (H _in ) จากหยดละอองในสเปรย์ มีปัจจัยหลายอย่างที่สามารถปรับได้เพื่อรักษาสภาวะเหล่านี้ ได้แก่ ความสูงของสเปรย์ ความดันก๊าซของหัวฉีด อัตราการไหลของโลหะหลอมเหลว อุณหภูมิสูงเกินของโลหะหลอมเหลว และการกำหนดค่าของหัวฉีด ซึ่งเป็นพารามิเตอร์ที่ปรับได้ง่ายที่สุด โดยทั่วไปแล้ว อุปกรณ์เช่นกล้องและเครื่องวัด อุณหภูมิแบบออปติคอล สามารถใช้ในการตรวจสอบขนาด/ตำแหน่งของชิ้นงานและอุณหภูมิพื้นผิวด้านบนได้ หาก H _outมากกว่า H _in มาก อุณหภูมิที่พื้นผิวด้านบนของชิ้นงานจะคงที่ พื้นผิวด้านบนควรอยู่ในสภาพกึ่งแข็งกึ่งเหลวเพื่อส่งเสริมการเกาะติดของหยดละอองที่เข้ามาและการหลอมละลายบางส่วนของอนุภาคของแข็ง การหลอมละลายบางส่วนที่จำเป็นของหยดของแข็งอธิบายถึงการไม่มีเศษเดนไดรต์จากหยดที่แข็งตัวแล้วในโครงสร้างจุลภาคสุดท้าย หาก_{ไฮโดรเจน (} H) ไม่เพียงพอที่จะทำให้เกิดการหลอมละลายอย่างมีนัยสำคัญ โครงสร้างจุลภาคแบบ "สาด" ของหยดที่เรียงเป็นชั้นจะก่อตัวขึ้น ซึ่งเป็นลักษณะทั่วไปของกระบวนการพ่นด้วยความร้อนเช่น การพ่นพลาสมาสุญญากาศ (VPS) การพ่นด้วยอาร์ค และการพ่นด้วยออกซิเจนความเร็วสูง ได้มีการสร้างแผนที่กระบวนการสำหรับการพ่นพลาสมาและการขึ้นรูปด้วยการพ่นโดยใช้สมดุลความร้อนแบบคงที่ในแง่ของเวลาระหว่างชั้น (เวลาระหว่างเหตุการณ์การตกตะกอน) เทียบกับอัตราการตกตะกอนเฉลี่ยต่อหน่วยพื้นที่ แผนที่เหล่านี้แสดงขอบเขตระหว่างโครงสร้างจุลภาคที่ไม่หลอมรวมกันเป็นแถบและโครงสร้างที่เป็นเนื้อเดียวกันแบบสมมาตร

ขั้นตอนสุดท้ายของการแข็งตัวเกิดขึ้นเมื่อหยดของเหลวกระทบกับพื้นผิวของแท่งโลหะที่ยังไม่แข็งตัว และเกิดสมดุลทางความร้อนระหว่างหยดของเหลวกับแท่งโลหะ ในขั้นตอนนี้ ของเหลวที่เหลืออยู่จะปรากฏเป็นเครือข่ายต่อเนื่องที่กำหนดขอบเขตของเกรนรูปหลายเหลี่ยม โดยมีสัดส่วนของของเหลวโดยทั่วไปอยู่ที่ 0.3–0.5 อัตราการเย็นตัวระหว่างการแข็งตัวของแท่งโลหะจะช้ากว่าอัตราการเย็นตัวในสเปรย์หลายลำดับความ magnitud โดยอยู่ที่ 1-20 K/s

แม้ว่าข้อดีอย่างหนึ่งของการขึ้นรูปด้วยการพ่นสเปรย์คือความสามารถในการผลิตวัสดุจำนวนมากที่มีการแยกตัวของธาตุในระดับจุลภาคอย่างละเอียดและมีการแยกตัวของธาตุในระดับมหภาคเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย แต่ผลงานวิจัยเกี่ยวกับโลหะผสม Al-Mg-Li-Cu แสดงให้เห็นว่าผลจากของเหลวที่เชื่อมต่อกันในแท่งโลหะ ทำให้เกิดการแยกตัวของธาตุในระดับมหภาคอย่างมีนัยสำคัญในแท่งโลหะอลูมิเนียมขนาดใหญ่ที่ขึ้นรูปด้วยการพ่นสเปรย์ ตัวอย่างเช่น การกระจายตัวของ Cu, Mg และ Li ในโลหะผสมอลูมิเนียม 8091 แสดงให้เห็นถึงการแยกตัวของธาตุในระดับมหภาคที่เด่นชัดอย่างน่าประหลาดใจ โดยมีการเปลี่ยนแปลงของ Cu (ร้อยละโดยน้ำหนัก) ในแท่งโลหะ 8091 ซึ่งมีค่าตั้งแต่ประมาณ 1.4 ที่ศูนย์กลางของแท่งโลหะไปจนถึง 1.92 ที่ขอบของแท่งโลหะ รูปแบบการแยกตัวของธาตุในระดับมหภาคเหล่านี้ได้รับการอธิบายในแง่ของการแยกตัวแบบผกผัน ซึ่งของเหลวที่อุดมด้วยตัวละลายจากศูนย์กลางของแท่งโลหะจะถูกดูดกลับผ่านเครือข่ายหลักที่อุดมด้วยอลูมิเนียมเพื่อหล่อเลี้ยงการหดตัวจากการแข็งตัวที่ขอบของแท่งโลหะ มีการเสนอว่าผลกระทบนี้จะรุนแรงขึ้นจากผลของแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางจากการหมุนของแท่งโลหะ

โดยทั่วไปแล้ว เมื่อพ่นเคลือบแล้ว ความพรุนของแท่งโลหะจะอยู่ที่ 1–2% โดยมีบริเวณที่มีความพรุนสูงกว่าใน บริเวณ ที่เย็นตัวอย่างรวดเร็วซึ่งอยู่ติดกับพื้นผิว ส่วนบนสุดของแท่งโลหะมักแสดงความพรุนเพิ่มขึ้นเนื่องจากส่วนบนสุดเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วโดยก๊าซที่ใช้ในการพ่น ซึ่งจะยังคงทำให้แท่งโลหะเย็นตัวลงต่อไปอีก 10–60 วินาทีหลังจากพ่น นอกจากนี้ยังมีความคืบหน้าเพียงเล็กน้อยในการทำความเข้าใจและวัดปริมาณทางฟิสิกส์พื้นฐานที่ควบคุมความพรุนที่เกิดขึ้นหลังการพ่นเคลือบ

ในกรณีส่วนใหญ่ รูพรุนที่สูงกว่าบริเวณฐานและด้านบนของแท่งโลหะจะถูกตัดออกและนำกลับมาใช้ใหม่ การตรวจสอบด้วยคลื่นอัลตราโซนิคบางครั้งใช้เพื่อกำหนดความลึกของบริเวณโซนเย็นตัวเพื่อป้องกันการสูญเสียที่ไม่จำเป็น ขึ้นอยู่กับระบบโลหะผสมและการใช้งานขั้นสุดท้าย วัสดุส่วนใหญ่ที่เหลืออยู่มักจะถูกแปรรูปเพื่อปิดรูพรุนและผ่านการบำบัดทางความร้อนและเชิงกลหลายขั้นตอน วัสดุที่ขึ้นรูปด้วยการพ่นมักไม่ค่อยได้ใช้ในสภาพที่พ่นเสร็จใหม่ๆ และมักจะผ่านการบำบัดด้วย HIP เพื่อกำจัดรูพรุน ในบางกรณี ก๊าซพ่นที่เหลืออยู่ในรูพรุนอาจทำปฏิกิริยากับธาตุโลหะผสมเพื่อสร้างเฟสที่เป็นประโยชน์ เช่น N2 _ทำปฏิกิริยากับไทเทเนียมในโลหะผสมนิกเกลซูเปอร์อัลลอยRene 80เพื่อสร้างการกระจายตัวของ TiN

• ภาพอุปกรณ์ขึ้นรูปด้วยการพ่น
• คำอธิบายกระบวนการ
• ภาพรวมการขึ้นรูปด้วยการพ่น