Pinnoitustekniikka tänään ja tulevaisuudessa

Transkriptio

1 Pinnoitustekniikka tänään ja tulevaisuudessa - katsaus alan tutkimustoimintaan ja teolliseen hyödynnettävyyteen Prof. Petri Vuoristo Tampereen teknillinen yliopisto Materiaaliopin laitos / Pinnoitustekniikka

2 Pinnoitustekniikan professuuri TTY:n materiaaliopin laitos Tutkimusalue: Laaja-alainen pinnoitustekniikka, painottuen termiseen ruiskutukseen ja laserpinnoitustekniikkaan. Pinnoitteiden valmistuksen, rakenteiden ja ominaisuuksien väliset riippuvuudet ja pinnoitteiden teolliset sovellukset. Tutkimusyhteistyö laserpinnoitus- ja materiaalitekniikan alueella v alkaen; myöhemmin myös muovit ja komposiitit tutkimusalueella; laserpinnoitusyhteistyösopimus voimassa tällä hetkellä v loppuun saakka Tutkimusyhteistyötä toteutettu Teknologiakeskus KETEK:n ja KP-AMK:n kanssa; LuTek-hanke yhteistyössä Kokkolan yliopistokeskuksen kanssa.

3

4

5 TTY - materiaaliopin laitos TOIMINTA-AJATUS Vankkaan poikkitieteelliseen perustutkimukseen pohjautuvaa kansainvälisesti korkeatasoista osaamista kaikista materiaaleista Laitos pähkinänkuoressa * Henkilöstö 150 * Professoreita 9 * Opetushenkilökunta yhteensä 20 * Liikevaihto 8,5 milj. euroa * Perustettu 1969

6 Materiaaliopin laitos TOIMINNALLISET YKSIKÖT Materiaalioppi Keraamimateriaalit Pinnoitustekniikka Materiaalikarakterisointi Muovi- ja elastomeeritekniikka Metallitekniikka Kuitumateriaalitekniikka Laserpintakäsittelyn sovelluslaboratorio LAL TWC - Tampere Wear Center

7 TTY:n alueellisen toiminnan kannalta oleellisia tavoitteita: Korkeatasoinen tutkimusyhteistyö kansallinen ja kv-toiminta Korkeatasoinen julkaisutoiminta Tutkinnot DI ja TkT Yhteistyö teollisuuden kanssa Projektitoiminta taloudellisesti kannattavalla pohjalla Verkottumisen hyödyt Kokkolan alueen laserosaaminen erityisesti laserpinnoitus, laserhitsaus, teollinen toiminta ja soveltaminen LuTek-hanke on ollut yksi vaihe eteenpäin

8 Pinnoitustekniikka Surface Engineering

9 Surface engineering methods

10 Thermal - history Dr. Schoop 1914

11 Principle of thermal spray coating Feedstock materials Stick Wire Powder Heat source, spray gun Acceleration Impacting Spreadening and cooling

12 Kehittyneet materiaalit Komposiitit Massiiviset kappaleet Termisen ruiskutuksen kehitysvaiheita Schoop, kaariruisku Reinecke, ensimm. plasmapinnoite Norton Rokide oksidipinnoitteet Metco 3M Thermal Dynamics F-40 Union Carbide, kaarikaasukuumennin Hobart-Tafa, Induktioplasma Browning, JetKote/HVOF Metco 7M & Plasmadyne SG-1 Giannini & Plasmadyne Union Carbide, Detonaatioruisku Venytetty kaari, PlazJet Massavirtaus kaasusäätö Plasma-Technik F4 & PS1000 Electroplasma LPPS (VPS) Älykkäät ohjausjärjestelmät Aksiaalisyötteiset ruiskut Liekkiruiskutuspinnoitteet Tietokoneohjaus Uudet ruiskumallit ja -rakenteet Insituperiaate TBC lämpökilpipinnoitteet Kuituvahvisteiset pinnoitteet Ruiskutuspinnoitteiden käytettävyys

13 Thermal today One of the most important and flexible coating processing technology: - Various techniques: Plasma, HVOF/HVAF, Arc, Flame etc. - From manual to fully automised processes - From widely used coatings to tailored materials and structures for different applications

14 Termisen pinnoituksen menetelmiä energialähteen mukaan luokiteltuina: Sulan aineen energia Kaasun palamisenergia Liikeenergia Sähköinen kaasupurkausenergia Sädeenergia Sularuiskutus Liekkiruiskutus Detonaatio -ruiskutus Suurnopeusruiskutus Kylmäkineettinen ruiskutus Plasmaruiskutus Kaariruiskutus Laserruiskutus Jauhe- (liekki-) ruiskutus Lanka- (liekki-) ruiskutus Suurnopeusr. happi & polttokaasu HVOF Suurnopeusr. happi & polttoneste HVOF Suurnopeusr. p-ilma & polttokaasu HVAF Suurnopeuskaariruiskutus (HVAF) Suojaverhottu kaariruiskutus Sulautuspinnoitus Plasmaruiskutus ilmassa Plasmaruiskutus kammiossa ali- tai yli - paineessa Suurnopeusplasmaruiskutus Suojaverhottu plasmaruiskutus Nestestabiloitu plasmaruiskutus Induktioplasmaruiskutus Jauheplasmapinnoitus PTA

15 Joitakin menetelmäkohtaisia tunnuslukuja Ruiskutusmenetelmä Partikkelinopeus m/s (km/h) Pinnoitusnopeus kg/h Pinnoitteen huokoisuus % Kerrospaksuus mm Lämmönlähde C Tartuntalujuus MPa Liekki-Jauhe 70 (144) , Liekki+sulautus 70 (144) ,2...0,4 0, n. 300 Liekki-Lanka 220 (790) , Kaari (tav.) 240 (860) , HVAF-kaari 360 (1290) , Plasma 600 (2160) , HVOF 800 (2880) , , * AC-HVAF 800 (2880) ,1...1,5 0, * Detonaatio 900 (3240) ,1...1,5 0, * *) Pinnoitteiden tartuntalujuuden mittaamisessa käytetään epoksiliimoja joiden vetolujuus on enimmillään MPa, joten tätä suurempaa tartuntalujuutta ei standardien mukaan voi mitata liimasauman murtumisen takia. Korkeampiakin tartuntalujuuksia esitetään aika ajoin.

16 Termisten pinnoitteiden käyttötarkoituksia torjua kulumista (abraasio, adheesio, eroosio jne.) hidastaa korroosiota (eri syöpymismuodot) säädellä välyksiä (tuottaa nollavälyksiä, sovitteita) hallita nesteympäristöjä (kavitaatio, eroosio jne.) pelastaa kuluneita ja väärin työstettyjä osia (myös paikata) suojata korkeilta lämpötiloilta (eristys, kuumakorroosio jne.) tehostaa sähköisiä ominaisuuksia (johtavuus, eristys, jne.) jalostaa pintaominaisuuksia (kitka, paino, ulkonäkö, kipinöinti, juurrutus)

17 Terminen ruiskutus 2000-luvulla Merkittävä teollinen pinnoitteiden valmistustekniikka Eri tekniikoita: plasma, HVOF, kaari, liekki, jne. Käsinpinnoituksesta robottiavusteiseen pinnoitukseen Käyttökohteiden mukaan räätälöityjä pinnoitteita

18 Termisten ruiskutuspinnoitteiden käyttökohteita HVOF-ruiskutettu NiCoCrAlY + plasmaruiskutettu ZrO 2 - kaksikerrospinnoite voimalaitoskaasuturbiinin lämpökilvissä Kuva: Helsingin Energia

19 Paperikoneen sylinterin HVOF-ruiskutusta W-karbidilla

20 Terminen ruiskutus kehityssuuntia Prosessit kehittyneitä; vähän suuria kehitysharppauksia Prosessien ja pinnoitteiden luotettavuus parantunut Automatisointi ja monitorointi Trendinä matalat partikkelilämpötilat & suuret partikkelinopeudet => kineettisen energian käyttö Cold Spray -teknologian kehitys ja sen uudet sovellukset Suspensioruiskutus ratkaisu erittäin hienojen jauheiden ruiskutukseen Pinnoitusmateriaalien koostumusten, ominaisuuksien ja laadun kehittäminen: kovapinnoitteet, nanorakenteiset materiaalit, monikomponenttimateriaalit Valmistuksen, rakenteen ja ominaisuuksien välisten tekijöiden ymmärtäminen ja hallinta Vaativien teollisten sovellusten pinnoitteille asettaminen vaatimusten täyttäminen: - pinnoitteiden materiaalikehitys - käyttöominaisuuksien osaaminen - jälkikäsittelyt tärkeitä vaativissa korroosio-olosuhteissa Perustutkimusta ja soveltavaa tutkimusta

21 Yhteenveto pinnoitustekniikan yleisistä kehitystrendeistä Vahva asema teollisissa sovelluksissa jo nyt Kehitys edelleen voimakasta; teolliset vaatimukset kasvavat jatkuvasti pinnoitteiden merkitys kasvaa Tutkimus- ja kehitystarpeet kohdistuvat erityisesti termiseen ruiskutukseen, laserpinnoitukseen, ohutpinnoitukseen ja erilaisiin pintamodifiointiteknologioihin monipuolisuus ja laaja sovellettavuus! Pinnoitteiden tutkimus vahvasti materiaalitutkimusta; suuntauksena pinnoitteiden räätälöinti alkaen pinnoitteiden raaka-aineista ja prosessoinnista aina pinnoiterakenteiden, koostumusten ja ominaisuuksien hallintaan Tutkimusresurssien riittävyys merkittävä tekijä Teollisuusyhteistyö ja kansainvälinen verkottuminen edelleen välttämätöntä

22 Classification of thermal spray processes according to various type of energy source Energy from molten liquid Energy from combustion of gases Kinetic energy Energy from Electric discharge Energy from beams Liquid Flame Detonation Velocity Cold kinetic Plasma Arc Laser (cladding) Powder (flame) Wire (flame) velocity oxy-gas fuel HVOF Velocity Air Fuel HVAF Velocity oxy-liquid fuel HVOF velocity air fuel HVAF velocity arc HV-Arc Shrouded arc Fused coatings Plasma in air Plasma in chamber at high or low P velocity plasma Shrouded plasma Water stabilised plasma Spraying WSP Induction plasma Spraying Powder plasma tranferred arc PTA

23 HVAF position vs. other thermal spray processes 2500 Particle Temperature, oc Arc Plasma HVOF-1 HVOF-2 Detonation Quasar Melting Temperature of Metals AC-HVAF (2 st gen) M2 Gun UltraCoat SAF (3 d gen) M3 Gun Hot Mode Cold Mode 500 Cold Spray Processes Particle Velocity, m/sec

24 Principle of HVAF spray gun (M3 of Uniquecoat Technologies) Supersonic Gas Dynamic Virtual Nozzle (GDVN) allows for achieving supersonic jet velocity without losing in jet temperature.

25 WC-10Co-4Cr Coating: 1380HV300 SEM Micrographs, M3 gun 100x 300x 1000x 3000x

26 Classification of thermal spray processes according to various type of energy source Energy from molten liquid Energy from combustion of gases Kinetic energy Energy from Electric discharge Energy from beams Liquid Flame Detonation Velocity Cold kinetic Cold Spraying HPCS/LPCS Plasma Arc Laser (cladding) Powder (flame) Wire (flame) velocity oxy-gas fuel HVOF Velocity oxy-liquid fuel HVOF velocity air fuel HVAF velocity arc HV-Arc Shrouded arc Fused coatings Plasma in air Plasma in chamber at high or low P velocity plasma Shrouded plasma Water stabilised plasma Spraying WSP Induction plasma Spraying Powder plasma tranferred arc PTA

27 pressure and low pressure cold spray processes Parameter HPCS (CGT) LPCS (DYMET) Process gas N 2, He ilma Pressure (bar) Gas temperature (ºC) Gas flow rate (m 3 /min) (N 2 ), max. 4.2 (He) Powder feed rate (kg/h) Stand-off distance (mm) Electric power (kw) Particle size of powder (µm) CGT Kinetiks 4000 DYMET 403K

28 Dense cold sprayed Ta coating

29 Corrosion properties of HPCS Ta coatings E corr i corr CS Ta: V, 1.1 µa/cm 2 Ta: V, 1.1 µa/cm 2 E corr i corr CS Ta: V, 0.3 µa/cm 2 Ta: V, 0.4 µa/cm 2 HPCS Ta coating behaved like corresponding Ta bulk material in 3.5% NaCl and 40% H 2 SO 4 solutions similar corrosion resistance rapid passivation corrosion protection E corr i corr CS Ta: V, 0.4 µa/cm 2 Ta: V, 0.2 µa/cm 2 HPCS Ta coating behaved like corresponding Ta bulk material also in 20% HCl solution, however, passivation was first linear, then curving slightly and followed again linear behavior repassivation

30 Classification of thermal spray processes according to various type of energy source Energy from molten liquid Energy from combustion of gases Kinetic energy Energy from Electric discharge Energy from beams Liquid Flame Detonation Velocity Cold kinetic Plasma Arc Laser (cladding) Powder (flame) Wire (flame) velocity oxy-gas fuel HVOF Velocity oxy-liquid fuel HVOF Suspension velocity air fuel HVAF SPS, SPPS, HVSFS velocity arc HV-Arc Shrouded arc Fused coatings Plasma in air Plasma in chamber at high or low P velocity plasma Shrouded plasma Water stabilised plasma Spraying WSP Induction plasma Spraying Powder plasma tranferred arc PTA

31 Suspension thermal Plasma, HVOF, Flame

32 Suspension HVOF-

33 Coatings with nanopowder suspension

34 Classification of thermal spray processes according to various type of energy source Energy from molten liquid Energy from combustion of gases Kinetic energy Energy from Electric discharge Energy from beams Liquid Flame Detonation Velocity Cold kinetic Plasma Laser Arc Laser cladding Laser (cladding) Powder (flame) Wire (flame) velocity oxy-gas fuel HVOF Velocity oxy-liquid fuel HVOF velocity air fuel HVAF velocity arc HV-Arc Shrouded arc Fused coatings Plasma in air Plasma in chamber at high or low P velocity plasma Shrouded plasma Water stabilised plasma Spraying WSP Induction plasma Spraying Powder plasma tranferred arc PTA

35 Laser cladding process

36 Latest deposition rates in laser cladding with high kw levels (Tampere Univ. Tech.)

37 Corrosion properties of laser coatings

38 Hot corrosion resistant laser coatings in diesel engine

39

40

41