Väitös

Tommi Varis: Jäännösjännitysten hallinta parantaa pinnoitteiden luotettavuutta

Tommi Varis.
Nykyisin on käytössä useita eri termisen ruiskutuksen pinnoitusprosesseja, joista jokainen tuottaa samasta materiaalista hieman erilaisia ominaisuuksia. Erityisesti pinnoitteiden jäännösjännitysten hallinta osoittautui merkittäväksi pinnoitteen suorituskykyyn vaikuttavaksi tekijäksi, selviää Tommi Variksen väitöskirjassa, jossa hän kehitti pinnoiteominaisuuksien hallintaan käytettäviä prosessin aikaisia mittausmenetelmiä ja tutki pinnoitusprosessista johtuvien tekijöiden vaikutusta pinnoitteiden suorituskykyyn.

Termisesti ruiskutettuja kovametallipinnoitteita on käytetty menestyksekkäästi monissa kriittisissä sovelluksissa, kuten hydraulisylintereissä, lentokoneiden laskutelineissä, paperikoneen teloissa, pallo- ja porttiventtiileissä, pumpuissa sekä useissa muissa kulumiskestävyyttä vaativissa osissa. Saman pinnoitemateriaalin pinnoitusprosessista ja valmistusparametreista johtuva ominaisuuksien ja suorituskyvyn vaihtelu voi olla suurta. Pinnoitteiden ja pinnoitusprosessien valintaa hankaloittaa usein se, että ei ole riittävästi tietoa siitä, miten eri valmistusprosessit vaikuttavat pinnoitteen suorituskykyyn. Termisesti ruiskutetuille pinnoitteille määritetään tyypillisesti esimerkiksi kovuus, huokoisuus ja kiinnipysyvyys. Lisäksi on kuitenkin monia muita tekijöitä, esimerkiksi pinnoitteeseen väistämättä valmistusprosessin yhteydessä syntyvien jäännösjännitysten suuruus, jotka saattavat vaikuttaa sen suorituskykyyn. 

– Pinnoitteiden tilaajat ei välttämättä tunne kaikkia erilaisia ​​valmistusprosesseja ja niiden eroja, mutta heidän on silti valittava ja hyväksyttävä pinnoitteen toimittaja ja määritettävä ominaisuusvaatimukset, jotka pinnoitteen tulisi täyttää. Pinnoitteille määritetyt vaatimukset eivät aina kuitenkaan kerro suoraan niiden suorituskyvystä käyttösovelluksissa. Usein ei välttämättä edes tiedetä, mitkä pinnoitteen ominaisuudet ovat kriittisiä pinnoitteen suorituskyvyn kannalta. Siksi prosessin, pinnoiteominaisuuksien ja pinnoitteen suorituskyvyn välisen vuorovaikutuksen tutkiminen on oleellista, jotta pinnoitteiden luotettavuutta voidaan parantaa, Tommi Varis valottaa.

Termisessä ruiskutuksessa on suuri määrä vuorovaikutuksessa olevia muuttujia, joiden kontrollointi on haastavaa. Usein valmistusprosessista johtuvien tekijöiden hallintaan ei ole kiinnitetty riittävästi huomiota. Erityisesti voidaan mainita jäännösjännitykset, joiden vaikutusta pinnoitteiden ominaisuuksiin ei suurelta osin tunneta. Jäännösjännityksillä on kuitenkin osoitettu olevan merkittävä vaikutus esimerkiksi pinnoitteiden kulumiskestävyyteen ja väsymiskestävyyteen, mikä on tärkeää huomioida.

Tommi Varis halusi yhdessä yhteistyöverkoston kanssa kehittää konsepteja, joilla pinnoituksen aikana syntyviä jäännösjännityksiä voidaan mitata, tarkastella miten eri termisen ruiskutuksen prosessit ja niissä käytettävät parametrit vaikuttavat jäännösjännityksiin, ja miten ne linkittyvät pinnoitteen ominaisuuksiin, erityisesti kulumiskestävyyteen. Tutkimuksessa hyödynnettiin pinnoitteiden prosessin aikaisia monitorointilaitteistojen valmistavien yritysten, suomalaisen Oseir Oy:n ja yhdysvaltalaisen Reliacoat Technologies, LLC:n, osaamista. Lisäksi mittauskonsepteja kehitetiin yhdessä Stony Brookin yliopiston kanssa.

– Pinnoitteen valmistusprosessin monitorointiin on olemassa työkaluja, joilla prosessista saadaan tietoa reaaliajassa ruiskutuksen aikana. Tämä mahdollistaa sen, että pinnoitusprosesseista saadaan yhdenmukaista prosessin aikaista dataa, jolloin pinnoitusprosesseja voidaan luotettavasti verrata ja lisäksi pinnoitteen muodostumisprosessia voidaan ymmärtää syvällisemmin tieteelisistä lähtökohdista. Eri pinnoitusmenetelmille tyypillistä prosessidataa voidaan hyödyntää laajemminkin muun muassa pinnoitteiden jännitystilojen säätämiseen halutuksi esimerkiksi analyyttisiä laskentamalleja käyttämällä, Varis sanoo.

Tommi Varis on kotoisin Kotkasta ja työskentelee tällä hetkellä projektipäällikkönä Tampereen yliopistossa, jossa hän kehittää pinnoitteita pääasiassa yhdessä suomalaisen pinnoitusteollisuuden kanssa.

Diplomi-insinööri Tommi Variksen materiaalitekniikan alaan kuuluva väitöskirja Approaches for Linking the High Kinetic Thermal Spray Process, Residual Stresses and Coating Performance by Utilizing In-situ Monitoring tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 15.1.2021 klo 12 alkaen Hervannan kampuksella Konetalon salissa K1702, Korkeakoulunkatu 6. Vastaväittäjinä toimivat tohtori Jiří Matějíček, Institute of Plasma Physics (Czech Republic) ja professori Hanlin Liao, University of Technology of Belfort-Montbeliard (France). Kustoksena toimii professori Petri Vuoristo Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnasta.

Väitöstilaisuuteen voi osallistua etäyhteydellä

Väitöskirjaan voi tutustua osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-1826-0.

Tulevat tapahtumat

Menneet tapahtumat