1. No category

Pinnoitustekniikka tänään ja tulevaisuudessa
- katsaus alan tutkimustoimintaan ja teolliseen
hyödynnettävyyteen
Prof. Petri Vuoristo
Tampereen teknillinen yliopisto
Materiaaliopin laitos / Pinnoitustekniikka
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
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.
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
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
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Materiaaliopin laitos
TOIMINNALLISET YKSIKÖT
• Materiaalioppi
• Keraamimateriaalit
• Pinnoitustekniikka
• Materiaalikarakterisointi
• Muovi- ja elastomeeritekniikka
• Metallitekniikka
• Kuitumateriaalitekniikka
• Laserpintakäsittelyn sovelluslaboratorio LAL
• TWC - Tampere Wear Center
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
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
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Pinnoitustekniikka – Surface Engineering
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Surface engineering methods
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Thermal spraying - history
Dr. Schoop 1914
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Principle of thermal spray coating
Feedstock
materials
Stick
Wire
Powder
Petri Vuoristo
Heat source,
spray gun
Acceleration
Impacting
Spreadening
and cooling
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Termisen ruiskutuksen kehitysvaiheita
Kehittyneet
materiaalit
Venytetty kaari,
PlazJet
Hobart-Tafa,
Induktioplasma
Norton Rokide
oksidipinnoitteet
Metco 3M
Liekkiruiskutuspinnoitteet
Schoop,
kaariruisku
1910
Petri Vuoristo
1920
Metco 7M &
Plasmadyne SG-1
Reinecke,
ensimm.
Thermal
plasma- Dynamics
pinnoite
F-40
Aksiaalisyötteiset
ruiskut
Tietokoneohjaus
Browning,
JetKote/HVOF
Komposiitit
Massiiviset
kappaleet
Uudet ruiskumallit ja
-rakenteet
Älykkäät ohjausjärjestelmät
Massavirtaus
kaasusäätö
1940
1950
Giannini &
Plasmadyne
1960
1970
Kuituvahvisteiset
pinnoitteet
Plasma-Technik
F4 & PS1000
1980
TBC
lämpökilpipinnoitteet
Electroplasma
LPPS (VPS)
Ruiskutuspinnoitteiden
käytettävyys
Union Carbide,
Union Carbide, kaari- Detonaatioruisku
kaasukuumennin
1930
Insituperiaate
1990
2000
2010
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
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
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Termisen pinnoituksen menetelmiä energialähteen mukaan luokiteltuina:
Sulan aineen
energia
Sularuiskutus
Jauhe(liekki-)
ruiskutus
Sulautuspinnoitus
Petri Vuoristo
Kaasun
palamisenergia
Liikeenergia
Suurnopeusruiskutus
Kylmäkineettinen
ruiskutus
Liekkiruiskutus
Detonaatio
-ruiskutus
Lanka(liekki-)
ruiskutus
SuurSuurSuurnopeusr.
nopeusr.
nopeusr.
happi &
happi &
p-ilma &
polttokaasu polttoneste polttokaasu
HVOF
HVOF
HVAF
Plasmaruiskutus
ilmassa
Plasmaruiskutus
kammiossa
ali- tai yli paineessa
Suurnopeusplasmaruiskutus
Suojaverhottu
plasmaruiskutus
Sähköinen
kaasupurkausenergia
Plasmaruiskutus
Nestestabiloitu
plasmaruiskutus
Sädeenergia
Kaariruiskutus
Laserruiskutus
Suurnopeuskaariruiskutus
(HVAF)
Suojaverhottu
kaariruiskutus
Induktioplasmaruiskutus
Jauheplasmapinnoitus
PTA
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
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.
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
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)
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Terminen ruiskutus 2000-luvulla
Merkittävä teollinen pinnoitteiden valmistustekniikka
Eri tekniikoita: plasma, HVOF, kaari, liekki, jne.
Käsinpinnoituksesta robottiavusteiseen pinnoitukseen
Käyttökohteiden mukaan räätälöityjä pinnoitteita
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Termisten ruiskutuspinnoitteiden käyttökohteita
HVOF-ruiskutettu NiCoCrAlY + plasmaruiskutettu ZrO2kaksikerrospinnoite voimalaitoskaasuturbiinin lämpökilvissä
Kuva: Helsingin Energia
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Paperikoneen sylinterin HVOF-ruiskutusta W-karbidilla
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
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
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
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
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Classification of thermal spray processes according to various
type of energy source
Energy from
combustion
of gases
Energy from
molten liquid
Liquid
spraying
Powder
(flame)
spraying
Fused
coatings
Petri Vuoristo
Flame
spraying
Wire
(flame)
spraying
Plasma
spraying
in air
Detonation
spraying
Kinetic energy
High
Velocity
spraying
Cold
kinetic
spraying
Energy from
Electric
discharge
Plasma
spraying
High
High Velocity
velocity Air Fuel
spraying
air fuel
spraying
HVAF
HVAF
High
High
velocity
Velocity
oxy-gas
oxy-liquid
fuel spraying fuel spraying
HVOF
HVOF
Plasma
spraying in
chamber
at high or
low P
High
velocity
plasma
spraying
Shrouded
plasma
spraying
Water
stabilised
plasma
Spraying
WSP
Energy
from beams
Arc
spraying
Laser
spraying
(cladding)
High
velocity arc
spraying
HV-Arc
Shrouded
arc
spraying
Induction
plasma
Spraying
Powder
plasma
tranferred
arc PTA
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
HVAF position vs. other thermal spray processes
2500
Plasma
Arc
HVOF-1
Particle Temperature, oC
2000
Detonation
Hot Mode
HVOF-2
UltraCoat
SAF (3d
gen) M3
Gun
Quasar
AC-HVAF
Melting Temperature of Metals
(2st gen)
M2 Gun
1500
1000
Cold Mode
500
Cold Spray Processes
0
0
200
400
600
800
1000
Particle Velocity, m/sec
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
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.
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
WC-10Co-4Cr Coating: 1380HV300
SEM Micrographs, M3 gun
Petri Vuoristo
100x
300x
1000x
3000x
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Classification of thermal spray processes according to various
type of energy source
Energy from
combustion
of gases
Energy from
molten liquid
Liquid
spraying
Powder
(flame)
spraying
Fused
coatings
Petri Vuoristo
Flame
spraying
Wire
(flame)
spraying
Plasma
spraying
in air
Detonation
spraying
Kinetic energy
High
Velocity
spraying
Plasma
spraying
Cold Spraying
HPCS/LPCS
High
High
velocity
Velocity
oxy-gas
oxy-liquid
fuel spraying fuel spraying
HVOF
HVOF
Plasma
spraying in
chamber
at high or
low P
Cold
kinetic
spraying
Energy from
Electric
discharge
High
velocity
plasma
spraying
High
velocity
air fuel
spraying
HVAF
Shrouded
plasma
spraying
Water
stabilised
plasma
Spraying
WSP
Energy
from beams
Arc
spraying
Laser
spraying
(cladding)
High
velocity arc
spraying
HV-Arc
Shrouded
arc
spraying
Induction
plasma
Spraying
Powder
plasma
tranferred
arc PTA
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
High pressure and low pressure cold spray processes
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
CGT Kinetiks 4000
Petri Vuoristo
DYMET
403K
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Dense cold sprayed Ta coating
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Corrosion properties of HPCS Ta coatings
Ecorr
icorr
CS Ta: -0.67 V, 1.1 µA/cm2
Ta: -0.66 V, 1.1 µA/cm2
Ecorr
icorr
CS Ta: -0.33 V, 0.3 µA/cm2
Ta: -0.32 V, 0.4 µA/cm2
HPCS Ta coating behaved like corresponding Ta bulk material in 3.5% NaCl and 40%
H2SO4 solutions  similar corrosion resistance  rapid passivation  corrosion
protection
Ecorr
icorr
CS Ta: -0.28 V, 0.4 µA/cm2
Ta: -0.29 V, 0.2 µA/cm2
Petri Vuoristo
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
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Classification of thermal spray processes according to various
type of energy source
Energy from
combustion
of gases
Energy from
molten liquid
Liquid
spraying
Powder
(flame)
spraying
Fused
coatings
Petri Vuoristo
Flame
spraying
Wire
(flame)
spraying
Plasma
spraying
in air
Detonation
spraying
Kinetic energy
High
Velocity
spraying
Cold
kinetic
spraying
Energy from
Electric
discharge
Plasma
spraying
Suspension
High spraying
High
High
velocity
Velocity
velocity
oxy-gas
oxy-liquid
air fuelHVSFS
SPS, SPPS,
fuel spraying fuel spraying
spraying
HVOF
HVOF
HVAF
Plasma
spraying in
chamber
at high or
low P
High
velocity
plasma
spraying
Shrouded
plasma
spraying
Water
stabilised
plasma
Spraying
WSP
Energy
from beams
Arc
spraying
Laser
spraying
(cladding)
High
velocity arc
spraying
HV-Arc
Shrouded
arc
spraying
Induction
plasma
Spraying
Powder
plasma
tranferred
arc PTA
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Suspension thermal spraying
Plasma, HVOF, Flame
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Suspension HVOF-spraying
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Coatings with nanopowder suspension
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Classification of thermal spray processes according to
various type of energy source
Energy from
combustion
of gases
Energy from
molten liquid
Liquid
spraying
Powder
(flame)
spraying
Fused
coatings
Petri Vuoristo
Flame
spraying
Wire
(flame)
spraying
Plasma
spraying
in air
Detonation
spraying
Kinetic energy
High
Velocity
spraying
High
High
velocity
Velocity
oxy-gas
oxy-liquid
fuel spraying fuel spraying
HVOF
HVOF
Plasma
spraying in
chamber
at high or
low P
High
velocity
plasma
spraying
Cold
kinetic
spraying
Energy from
Electric
discharge
Plasma
spraying
High
velocity
air fuel
spraying
HVAF
Shrouded
plasma
spraying
Water
stabilised
plasma
Spraying
WSP
Energy
from beams
Laser
Arc spraying
Laser
spraying
spraying
(cladding)
Laser cladding
High
velocity arc
spraying
HV-Arc
Shrouded
arc
spraying
Induction
plasma
Spraying
Powder
plasma
tranferred
arc PTA
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Laser cladding process
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Latest deposition rates in laser cladding with
high kW levels (Tampere Univ. Tech.)
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Corrosion properties of laser coatings
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Hot corrosion resistant laser coatings in
diesel engine
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
http://etsa-thermal-spray.org/
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012
Petri Vuoristo
LuTek-päätösseminaari Kokkola 09.05.2012