Pinnoitustekniikka tänään ja tulevaisuudessa - katsaus alan tutkimustoimintaan ja teolliseen hyödynnettävyyteen Prof. Petri Vuoristo Tampereen teknillinen yliopisto Materiaaliopin laitos / Pinnoitustekniikka
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. 2002 alkaen; myöhemmin myös muovit ja komposiitit tutkimusalueella; laserpinnoitusyhteistyösopimus voimassa tällä hetkellä v. 2013 loppuun saakka Tutkimusyhteistyötä toteutettu Teknologiakeskus KETEK:n ja KP-AMK:n kanssa; LuTek-hanke yhteistyössä Kokkolan yliopistokeskuksen kanssa.
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
Materiaaliopin laitos TOIMINNALLISET YKSIKÖT Materiaalioppi Keraamimateriaalit Pinnoitustekniikka Materiaalikarakterisointi Muovi- ja elastomeeritekniikka Metallitekniikka Kuitumateriaalitekniikka Laserpintakäsittelyn sovelluslaboratorio LAL TWC - Tampere Wear Center
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
Pinnoitustekniikka Surface Engineering
Surface engineering methods
Thermal - history Dr. Schoop 1914
Principle of thermal spray coating Feedstock materials Stick Wire Powder Heat source, spray gun Acceleration Impacting Spreadening and cooling
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 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Uudet ruiskumallit ja -rakenteet Insituperiaate TBC lämpökilpipinnoitteet Kuituvahvisteiset pinnoitteet Ruiskutuspinnoitteiden käytettävyys
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
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
Joitakin menetelmäkohtaisia tunnuslukuja Ruiskutusmenetelmä Partikkelinopeus m/s (km/h) Pinnoitusnopeus kg/h Pinnoitteen huokoisuus % Kerrospaksuus mm Lämmönlähde C Tartuntalujuus MPa Liekki-Jauhe 70 (144) 1...8 10...15 0,2...10 3000 10...30 Liekki+sulautus 70 (144) 5...8 0,2...0,4 0,2...3 3000+1100 n. 300 Liekki-Lanka 220 (790) 6...40 10...20 0,2...20 3000 10...30 Kaari (tav.) 240 (860) 6...60 8...15 0,2...20 5500 15...40 HVAF-kaari 360 (1290) 6...60 1...3 0,1...10 6000 25...45 Plasma 600 (2160) 1...6 2...8 0,2...2 16500 20...70 HVOF 800 (2880) 2...9 0,5...2 0,2...2 2800 50...120* AC-HVAF 800 (2880) 10...30 0,1...1,5 0,1...15 1800 60...120* Detonaatio 900 (3240) 2...6 0,1...1,5 0,1...50 4500 75...120* *) Pinnoitteiden tartuntalujuuden mittaamisessa käytetään epoksiliimoja joiden vetolujuus on enimmillään 80-120 MPa, joten tätä suurempaa tartuntalujuutta ei standardien mukaan voi mitata liimasauman murtumisen takia. Korkeampiakin tartuntalujuuksia esitetään aika ajoin.
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)
Terminen ruiskutus 2000-luvulla Merkittävä teollinen pinnoitteiden valmistustekniikka Eri tekniikoita: plasma, HVOF, kaari, liekki, jne. Käsinpinnoituksesta robottiavusteiseen pinnoitukseen Käyttökohteiden mukaan räätälöityjä pinnoitteita
Termisten ruiskutuspinnoitteiden käyttökohteita HVOF-ruiskutettu NiCoCrAlY + plasmaruiskutettu ZrO 2 - kaksikerrospinnoite voimalaitoskaasuturbiinin lämpökilvissä Kuva: Helsingin Energia
Paperikoneen sylinterin HVOF-ruiskutusta W-karbidilla
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
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
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
HVAF position vs. other thermal spray processes 2500 Particle Temperature, oc 2000 1500 1000 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 0 0 200 400 600 800 1000 Particle Velocity, m/sec
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.
WC-10Co-4Cr Coating: 1380HV300 SEM Micrographs, M3 gun 100x 300x 1000x 3000x
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
pressure and low pressure cold spray processes Parameter HPCS (CGT) LPCS (DYMET) Process gas N 2, He ilma Pressure (bar) 7-40 6-10 Gas temperature (ºC) 20-550-800 20-650 Gas flow rate (m 3 /min) 0.85-2.5 (N 2 ), max. 4.2 (He) 0.3-0.4 Powder feed rate (kg/h) 4.5-13.5 0.3-3 Stand-off distance (mm) 10-50 5-15 Electric power (kw) 17-47 3.3 Particle size of powder (µm) 1-50 5-30 CGT Kinetiks 4000 DYMET 403K
Dense cold sprayed Ta coating
Corrosion properties of HPCS Ta coatings E corr i corr CS Ta: -0.67 V, 1.1 µa/cm 2 Ta: -0.66 V, 1.1 µa/cm 2 E corr i corr CS Ta: -0.33 V, 0.3 µa/cm 2 Ta: -0.32 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: -0.28 V, 0.4 µa/cm 2 Ta: -0.29 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
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
Suspension thermal Plasma, HVOF, Flame
Suspension HVOF-
Coatings with nanopowder suspension
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
Laser cladding process
Latest deposition rates in laser cladding with high kw levels (Tampere Univ. Tech.)
Corrosion properties of laser coatings
Hot corrosion resistant laser coatings in diesel engine
http://etsa-thermal-spray.org/