Pinnoitustekniikka tänään ja tulevaisuudessaM2 Gun . Cold Spray Processes Detonation Hot Mode...

Petri Vuoristo LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012

Prof. Petri Vuoristo

Tampereen teknillinen yliopisto

Materiaaliopin laitos / Pinnoitustekniikka

Pinnoitustekniikka tänään ja tulevaisuudessa - katsaus alan tutkimustoimintaan ja teolliseen

hyödynnettävyyteen


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


• 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

TTY:n alueellisen toiminnan kannalta oleellisia tavoitteita:


Pinnoitustekniikka – Surface Engineering


Surface engineering methods


Thermal spraying - history

Dr. Schoop 1914


Principle of thermal spray coating

Stick

Wire

Powder

Feedstock materials

Heat source, spray gun

Acceleration Impacting Spreadening and cooling


Termisen ruiskutuksen kehitysvaiheita

TBC lämpökilpi-pinnoitteet

Massiiviset kappaleet

Insitu-

periaate

Kuitu-vahvisteisetpinnoitteet

Komposiitit

Kehittyneet materiaalit

1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

Liekki-ruiskutus-pinnoitteet

Union Carbide, Detonaatioruisku

Metco 3M Plasma-Technik F4 & PS1000

Massavirtaus kaasusäätö

Hobart-Tafa, Induktioplasma

Thermal Dynamics

F-40

Metco 7M & Plasmadyne SG-1

Browning, JetKote/HVOF

Electroplasma LPPS (VPS)

Tietokone-ohjaus

Venytetty kaari, PlazJet

Älykkäät ohjaus-järjestelmät

Aksiaali-syötteiset

ruiskut

Uudet ruisku- mallit ja

-rakenteet

Reinecke, ensimm. plasma-pinnoite

Schoop, kaariruisku

Giannini & Plasmadyne

Union Carbide, kaari-kaasukuumennin

Norton Rokide oksidipinnoitteet

Ruiskutus- pinnoitteiden käytettävyys


Thermal spraying 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:

Sula- ruiskutus

Detonaatio -ruiskutus

Liekki- ruiskutus

Suur- nopeus-

ruiskutus

Kylmä- kineettinen ruiskutus

Kaari- ruiskutus

Plasma- ruiskutus

Laser- ruiskutus

Sulan aineen energia

Kaasun palamis- energia

Liike- energia

Sähköinen kaasupurkaus-

energia Säde-

energia

Suur- nopeusr. happi &

polttokaasu HVOF

Lanka- (liekki-)

ruiskutus

Suur- nopeusr. p-ilma &

polttokaasu HVAF

Suur- nopeusr. happi &

polttoneste HVOF

Suur- nopeus-

kaari- ruiskutus

(HVAF)

Plasma- ruiskutus ilmassa

Plasma- ruiskutus

kammiossa ali- tai yli - paineessa

Jauhe- (liekki-)

ruiskutus

Induktio- plasma-

ruiskutus

Jauhe- plasma-

pinnoitus PTA

Neste- stabiloitu plasma-

ruiskutus

Sulautus- pinnoitus

Suur- nopeus- plasma-

ruiskutus

Suoja- verhottu plasma-

ruiskutus

Suoja- verhottu

kaari- ruiskutus


Joitakin menetelmäkohtaisia tunnuslukuja

Ruiskutus-menetelmä

Partikkeli-nopeus

m/s (km/h)

Pinnoitus-nopeus

kg/h

Pinnoitteen huokoisuus

%

Kerros-paksuus

mm

Lämmön-lähde

°C

Tartunta-lujuus 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 ZrO2-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 pintamodifiointi-teknologioihin – 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

Liquid spraying

Detonation spraying

Flame spraying

High Velocity spraying

Cold kinetic

spraying Arc

spraying Plasma spraying

Laser spraying

(cladding)

Energy from molten liquid

Energy from combustion

of gases Kinetic energy

Energy from Electric

discharge Energy

from beams

High velocity oxy-gas

fuel spraying HVOF

Wire (flame)

spraying

High velocity air fuel

spraying HVAF

High Velocity

oxy-liquid fuel spraying

HVOF

High velocity arc

spraying HV-Arc

Plasma spraying

in air

Plasma spraying in

chamber at high or

low P

Powder (flame)

spraying

Induction plasma

Spraying

Powder plasma

tranferred arc PTA

Water stabilised

plasma Spraying

WSP

Fused coatings

High velocity plasma

spraying

Shrouded plasma

spraying

Shrouded arc

spraying

High Velocity Air Fuel spraying HVAF


HVAF position vs. other thermal spray processes

0

500

1000

1500

2000

2500

0 200 400 600 800 1000

Particle Velocity, m/sec

Par

ticl

e T

emp

erat

ure

, o

C

Plasma

Melting Temperature of Metals

Arc

HVOF-1

HVOF-2

Quasar AC-HVAF (2st gen) M2 Gun

Cold Spray Processes

Detonation

Hot Mode

Cold Mode

UltraCoat SAF (3d gen) M3

Gun


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



Liquid spraying

Detonation spraying

Flame spraying


Cold kinetic

spraying Arc


Laser spraying

(cladding)





discharge Energy

from beams


fuel spraying HVOF

Wire (flame)

spraying


spraying HVAF

High Velocity


HVOF

High velocity arc

spraying HV-Arc

Plasma spraying

in air

Plasma spraying in

chamber at high or

low P

Powder (flame)

spraying

Induction plasma

Spraying

Powder plasma

tranferred arc PTA

Water stabilised

plasma Spraying

WSP

Fused coatings


spraying

Shrouded plasma

spraying

Shrouded arc

spraying

Cold Spraying HPCS/LPCS


CGT Kinetiks 4000

Parameter HPCS (CGT) LPCS (DYMET) Process gas N2, He ilma

Pressure (bar) 7-40 6-10 Gas temperature (ºC) 20-550-800 20-650

Gas flow rate (m3/min) 0.85-2.5 (N2), 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

High pressure and low pressure cold spray processes

21.

DYMET 403K


Dense cold sprayed Ta coating


HPCS Ta coating behaved like corresponding Ta bulk material in 3.5% NaCl and 40% H2SO4 solutions similar corrosion resistance rapid passivation corrosion

protection

Corrosion properties of HPCS Ta coatings

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

Ecorr icorr CS Ta: -0.67 V, 1.1 µA/cm2

Ta: -0.66 V, 1.1 µA/cm2


Ta: -0.29 V, 0.2 µA/cm2


Ta: -0.32 V, 0.4 µA/cm2



Liquid spraying

Detonation spraying

Flame spraying


Cold kinetic

spraying Arc


Laser spraying

(cladding)





discharge Energy

from beams


fuel spraying HVOF

Wire (flame)

spraying


spraying HVAF

High Velocity


HVOF

High velocity arc

spraying HV-Arc

Plasma spraying

in air

Plasma spraying in

chamber at high or

low P

Powder (flame)

spraying

Induction plasma

Spraying

Powder plasma

tranferred arc PTA

Water stabilised

plasma Spraying

WSP

Fused coatings


spraying

Shrouded plasma

spraying

Shrouded arc

spraying

Suspension spraying SPS, SPPS, HVSFS


Suspension thermal spraying Plasma, HVOF, Flame


Suspension HVOF-spraying


Coatings with nanopowder suspension



Liquid spraying

Detonation spraying

Flame spraying


Cold kinetic

spraying Arc


Laser spraying

(cladding)





discharge Energy

from beams


fuel spraying HVOF

Wire (flame)

spraying


spraying HVAF

High Velocity


HVOF

High velocity arc

spraying HV-Arc

Plasma spraying

in air

Plasma spraying in

chamber at high or

low P

Powder (flame)

spraying

Induction plasma

Spraying

Powder plasma

tranferred arc PTA

Water stabilised

plasma Spraying

WSP

Fused coatings


spraying

Shrouded plasma

spraying

Shrouded arc

spraying

Laser spraying Laser cladding


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/

Pinnoitustekniikka tänään ja tulevaisuudessaM2 Gun . Cold Spray Processes Detonation Hot Mode...

Documents

Transcript of Pinnoitustekniikka tänään ja tulevaisuudessaM2 Gun . Cold Spray Processes Detonation Hot Mode...