Kylmäruiskutustekniikan yleiskatsaus ja tutkimuksen edistyminen

Kylmäruiskutustekniikan edut

1. Soveltuvuus useille materiaaleille: Sitä voidaan käyttää useiden materiaalien ruiskumaalaukseen, mukaan lukien metallit, muovit, keraamit ja muut materiaalit, joten se on erittäin monipuolinen.

2. Kestävyyden ja suojausominaisuuksien kannalta muodostuva pinnoite on yleensä erityisen korroosionkestävä ja kulutusta kestävä, ja se suojaa alusmateriaalia, mikä pidentää sen käyttöikää.

3. Kylmäruiskutus ei aiheuta käytännössä lainkaan ympäristön pilaantumista, ja ruiskutuksen yhteydessä syntyvä jauhe voidaan kerätä talteen ja käyttää uudelleen.

4. Kylmäruiskutuspinnoitteessa on vain vähän jäännösjännitystä, ja se on puristusjännitystä, mikä helpottaa paksumpien pinnoitteiden valmistusta.

5. Pinnoitteen kemiallinen koostumus pysyy yhdenmukaisena raaka-aineen kanssa, ja sen mikrorakenne on myös sama kuin raaka-aineen; hapettumista ei käytännössä esiinny, myöskään seosaineiden palamista ei käytännössä esiinny, eikä hiukkasten kasvuun liittyviä ilmiöitä tapahdu. Menetelmällä voidaan ruiskuttaa lämpöherkkiä materiaaleja sekä aktiivisia metalleja ja polymeerejä, ja se soveltuu sekä amorfisten että nanokiteisten pinnoitteiden valmistukseen.

Kylmäruiskutuspinnoitteen laatuun vaikuttavat tekijät

Tekijät, jotka voivat vaikuttaa kylmäruiskutuksella muodostettujen pinnoitteiden ominaisuuksiin, voidaan jakaa kolmeen ryhmään: ensinnäkin prosessiparametrit, kuten kaasuolosuhteet, suuttimen rakenne ja ruiskutuksen dynamiikka; toiseksi jauheen ominaisuudet; ja kolmanneksi ruiskutusparametrit.

(1) Kylmäruiskutusprosessin parametrien tutkimus perustuu pääasiassa virtausdynamiikkaan, ja siinä tarkastellaan niiden vaikutusta kerrostumistehokkuuteen sekä lopullisen muodostuman laatuun. Kerrostuman muodostuminen riippuu pääasiassa hiukkasten iskuolosuhteista, joihin kuuluvat erityisesti hiukkasten iskunopeus ja -lämpötila sekä alustan (tai jo olemassa olevan alustan) pintalämpötila. Siksi suurin osa nykyisistä tutkimuksista keskittyy kylmäruiskutusprosessin parametrien ja näiden kolmen avainparametrin välisiin yhteyksiin.

(2) Jauheen ominaisuuksien osalta kylmäruiskutusprosessissa jauhemateriaalin fysikaaliset ominaisuudet, kuten hiukkaskoko, morfologia ja happipitoisuus, vaikuttavat jossain määrin muodostumisen laatuun. Kylmäruiskutusprosessissa käytettävän jauheen raekoko on yleensä noin 5–45 μm, ja jauheen raekokojakauma vaikuttaa sekä hiukkasten nopeuteen että kriittiseen nopeuteen. Kriittinen nopeus pienenee yleensä jauhehiukkasten koon kasvaessa, sillä suurempia hiukkasia on vaikeampi kiihdyttää ja niiden lämpökapasiteetti on suurempi. Siksi kerrostustehokkuuden parantamiseksi voidaan harkita hienomman jauheen käyttöä. Näiden monimutkaisten tekijöiden vuoksi lopullinen jauhehiukkaskoko riippuu useista tekijöistä, kuten ruiskutusolosuhteista, suuttimen mitoista ja ruiskutusetäisyydestä. Toiseksi jauhehiukkasten morfologia on toinen avaintekijä: matalan energian ruiskutusolosuhteissa haarautuneet ja muut epäsäännölliset muodot voivat vähentää huokoisuutta, kun taas korkean energian ruiskutusolosuhteissa pallomaiset jauheet tuottavat parempia tuloksia. Lopuksi myös metallijauheen happipitoisuus vaikuttaa jossain määrin kerrostumistehokkuuteen: jauhe, jonka happipitoisuus on alhainen, kerrostuu helpommin, ja hiukkasten pinnalle muodostuu helpommin ohut oksidikalvo, joka mahdollistaa vahvemman sidoksen. Jauheen hiukkaskoko ja muoto määräävät vapaata pinta-alaa tilavuusyksikköä kohti. Mitä suurempi pinta-ala on, sitä nopeammin hapettuminen etenee, mikä vaikuttaa negatiivisesti pinnoitteen laatuun. Siksi jauhe on säilytettävä tiiviisti suljetussa astiassa, jotta vältetään jauheen hapettuminen.

(3) Ruiskutusparametreihin liittyen kriittinen nopeus on perinteisesti toiminut erilaisten materiaalien ruiskutusominaisuuksien arvioinnin perustana. Kylmäruiskutuksen monista ominaisuuksista huolimatta ne eivät kuitenkaan riipu pelkästään kriittisestä nopeudesta, vaan niillä on yhteys myös hiukkasten iskunopeuteen. Siksi ruiskutusominaisuuksien kannalta on kriittisen nopeuden mittaamista tarkoituksenmukaisempaa tarkastella niitä nopeussuhteen tai energiamuuttujien perusteella. On syytä huomioida, että ruiskutuskaasun lämpötilan noustessa esimerkiksi matalan sulamispisteen omaavat materiaalit ja nikkelipohjaiset seokset alkavat tarttua suuttimen kurkkuosaan, mikä johtaa suuttimen tukkeutumiseen. Tämä heikentää ruiskutustulosta ja vaikuttaa kerrostumistehokkuuteen. Tällaisessa tilanteessa suuttimen tukkeutumisongelma voidaan ratkaista valitsemalla sopiva suuttimen materiaali ja vesijäähdytysmenetelmä. Kylmäruiskutusprosessin ohjauksessa sekä rakenteen ja suorituskyvyn optimoinnissa voidaan lisätä plastisen muodonmuutoksen voimaa nostamalla hiukkasten nopeutta. Tämä voidaan toteuttaa esimerkiksi lisäämällä kiihdytyskaasun painetta, pienentämällä jauheen hiukkaskokoa tai korvaamalla typpi heliumilla. Nämä menetelmät kuitenkin nostavat tuotantokustannuksia, ja jauheen hiukkaskokojen pienentäminen heikentää hiukkasten virtaavuutta. Lisäksi voidaan harkita hiukkasten lämpötilan nostamista plastisen muodonmuutoksen vastuksen vähentämiseksi. Tähän voidaan käyttää esimerkiksi jauhehiukkasten esilämmitystä tai kiihdytyskaasun lämpötilan nostamista. Lopuksi mainittakoon, että myös suuttimen nopeus ja kulma, ruiskutusetäisyys, jauheen syöttönopeus sekä kaasun paine vaikuttavat kylmäruiskutuspinnoitteen laatuun.

Tyypilliset kylmäruiskutusmateriaalit, pinnoitteiden ominaisuudet ja käyttökohteet

Tyypillisiä kylmäruiskutusmateriaaleja

(1) Alumiini- ja alumiiniseospinnoitteet: alumiinilla ja sen seoksilla on pieni tiheys, korkea venyvyys, hyvä korroosionkestävyys sekä erinomaiset lämmönjohtavuus- ja sähkönjohtavuusominaisuudet, minkä vuoksi niitä käytetään laajalti teollisuudessa ja jokapäiväisessä elämässä. Kylmäruiskutettuja alumiini- ja alumiiniseospinnoitteita voidaan käyttää alumiiniseoksista valmistettujen teollisuuskomponenttien korjaamiseen, mikä on herättänyt laajaa kiinnostusta sekä tiedemaailmassa että teollisuudessa. Vaikka alumiinilla ja sen seoksilla on alhainen lujuus ja sulamispiste, niiden plastisuus on kylmäruiskutuksessa hyvä, muodonmuutoskyky korkea ja kriittinen nopeus alhainen, minkä vuoksi ne ovat teoriassa helposti ruiskutettavia materiaaleja. Alumiinin alhaisen tiheyden vuoksi hiukkasten liike lentovaiheessa altistuu kuitenkin helposti aluspintaan lähellä esiintyvän kaarevan paineaallon vaikutukselle. Alumiinijauheen pinta hapettuu erittäin helposti, ja hapettumakerroksen vaikutuksen voittaminen sekä tiheän pinnoitteen valmistaminen ovat edelleen haasteita. Tämä ei koske pelkästään puhdasta alumiinia, vaan myös alumiiniseosten kylmäruiskutus tarjoaa erinomaisia ominaisuuksia. Alumiini-piiseos on erittäin luja, sen lämpölaajenemiskerroin on alhainen ja sillä on erinomaiset kitkanvähentävät ominaisuudet. Tutkimuksissa on havaittu, että alumiini-piiseoksen kylmäruiskutuksen aikana korkean lämpötilan kaasujen lämpövaikutuksen seurauksena pinnoitteessa esiintyy paitsi α-Al-faasia myös hienojakoisia piihiukkasia sisältävää lujitusfaasia, minkä vuoksi sen lujuus paranee. Al-Sn-kaksikomponenttiseoksella on erinomaiset tarttumattomuusominaisuudet ja alhainen kimmomoduuli, minkä vuoksi sitä käytetään yleisesti autoteollisuuden liukulaakereiden materiaalina, ja sen käyttö on vakiintunut jo pitkään. Nämä ominaisuudet ovat tuoneet monipuolisempia vaihtoehtoja lukuisten autonosien suunnitteluun ja valmistukseen, mikä puolestaan on edistänyt autoteollisuuden teknologista kehitystä ja innovaatioita. Kylmäsuihkutettu Al–Sn-kaksikomponenttiseospinnoite on ominaista alhaisella huokoisuudella, korkealla kerrostumisnopeudella sekä erinomaisilla mekaanisilla ominaisuuksilla. Lisäksi lisäämällä Al–Cu-seokseen erilaisia seosaineita, kuten Mg, Fe, Ag ja Ni, voidaan muodostaa erilaisia metallien välisiä yhdisteitä, joiden avulla mekaanista lujuutta voidaan parantaa entisestään. Korkealujuuksisia Al–Cu-seoksia käytetään laajalti ilmailu-, avaruus- ja autoteollisuudessa.

Esimerkki kylmäruiskutuspinnoitteesta

Lähde: H, Kreyer H, Gartner F ym. ”Cold-A”. *Journal*, 2016, vol. 116: s. 382–407.

(2) Kupari ja sen seokset, joilla on erinomaiset lämmönjohtavuus-, sähkönjohtavuus-, venyvyys-, korroosionkestävyys- ja kulutuskestävyysominaisuudet, ovat laajalti käytössä sähkö-, elektroniikka-, energia- ja koneteollisuudessa sekä monilla muilla aloilla, ja ne kuuluvat kylmäruiskutusmenetelmässä helpoimmin ruiskutettaviin materiaaleihin. Kylmäruiskutetun kuparipinnoitteen kaikki fysikaaliset ominaisuudet ja suorituskyky ovat erinomaisia, mikä osoittaa, että sen tiheys on poikkeuksellisen korkea, huokosia ei ole käytännössä lainkaan, ja ruiskutustilassa sen sähkönjohtavuus on lähes 100 prosenttia emomateriaalin arvosta. Kuparin tarttuvuusvoima sekä 316L-alustalla että muilla alustoilla ylittää vaatimukset, mutta mitä suurempi alustan myötöraja on, sitä suurempi hiukkasten nopeus tarvitaan tehokkaan tarttuvuuden saavuttamiseksi. Hiukkasten nopeuden kasvaessa voidaan eri alusmateriaaleille muodostaa kuparipinnoitteita, joilla on korkea tarttuvuusvoima.

Monimutkaisen rakenteen ja ohuen pinnoitteen omaavat kylmäruiskutuskomponentit

(a) Elintarvikkeiden jalostuskoneen painerenkaaseen on kerrostunut paksu kuparikerros, (b) se on jakautunut aksiaalisymmetrisesti.

(c) kartiomainen rakenne (d) sähköelektroniikan jäähdytyselementin kuparipinnoite

Syynä on se, että alumiini on kylmässä kiinteässä tilassa, jossa: 1.

(3) Titaani- ja titaaniseospinnoitteet, sillä titaanilla ja titaaniseoksilla on alhainen tiheys, korkea lujuus ja hyvä korroosionkestävyys, ja ne ovat myös biologisesti yhteensopivia, niitä käytetään laajalti ilmailualalla, avaruusteollisuudessa, öljyteollisuudessa, kemianteollisuudessa, lääketieteen alalla sekä autoteollisuudessa ja muilla aloilla. Kylmäruiskutuksessa titaanin ja titaaniseosten kerrostumiseen tarvittava kriittinen nopeus on suhteellisen korkea, joten tiiviiden titaani- ja titaaniseospinnoitteiden saamiseksi on käytettävä korkeapaineista kylmäruiskutuslaitetta sekä korkeampia parametreja, kuten typpeä kantokaasuna, kaasun lämpötilan on oltava välillä 800–1100 °C ja kaasun paineen 4–5 MPa. Lisäksi heliumia kantokaasuna käyttämällä voidaan kiihdyttää titaani- ja titaaniseoshiukkaset suurempaan nopeuteen, mikä puolestaan aiheuttaa hiukkasille voimakkaamman plastisen muodonmuutoksen ja vahvemman sidoslujuuden. Siksi heliumin käyttö mahdollistaa erittäin tiiviiden titaani- ja titaaniseospinnoitteiden muodostumisen. Asiaa koskevien tutkimusten mukaan seosraaka-aineen (Ti+) käyttö auttaa muodostamaan suhteellisen tiiviin komposiittipinnoitteen (huokoisuus noin 1,51 TP3T) verrattuna pelkän Ti:n ruiskuttamiseen. Tämä havainto osoittaa, että kovan ja pehmeän iskun rajapinnan muodostuminen kylmäruiskutusprosessissa on hyödyllistä ja parantaa pinnoitteen ominaisuuksia. Räätälöimällä prosessiparametreja voidaan saada titaani- ja titaaniseospinnoitteita, joiden huokoisuus vaihtelee. Huokoisia pinnoitteita voidaan käyttää biolääketieteellisissä sovelluksissa, kun taas tiiviitä pinnoitteita voidaan käyttää ilmailu- ja avaruusteollisuuden osien korjauksessa ja uudelleenvalmistuksessa.

(4) 718 on nikkelipohjainen superseos, joka sisältää seosaineita Ni, Cr, Mo, Nb, Ti ja Al. Sen koostumus muodostaa nikkelipohjaisen korkean lämpötilan seospinnoitteen, joka vahvistuu muodostamalla γ’ ja γ” -vahvistusfaaseja sekä hienorakeisia ja stabiileja karbideja, 718:lla on korkea lujuus vain korkeissa lämpötiloissa, ja sillä on samalla hyvä hapettumiskestävyys ja kaasukorroosionkestävyys, minkä vuoksi sitä käytetään laajalti korkeissa käyttölämpötiloissa toimivissa ilmailu- ja avaruusteollisuuden komponenteissa. Verrattuna helposti ruiskutettavaan puhdasnikkeliin 718:lla on korkeampi myötöraja, huonompi plastisuus ja suurempi venymävahvistusaste, minkä vuoksi sen kylmäruiskutus on vaikeaa. Titaaniseosten tavoin myös 718:n kylmäruiskutuksessa tarvittava kriittinen nopeus on erittäin korkea.

Edellä lueteltujen materiaalisysteemien perusteella voidaan todeta, että kylmäruiskutustekniikka kattaa jo laajan valikoiman metalleja, seoksia, keraamisia materiaaleja, polymeerejä sekä edistyneitä funktionaalisia materiaaleja (mukaan lukien komposiittimateriaalit, nanomateriaalit ja metallikeraamit). Näistä edistyneiden funktionaalisten materiaalien valmistus edustaa kylmäruiskutuksen aivan uutta suuntausta. Viime vuosina kylmäruiskutusta on onnistuneesti sovellettu myös korkealujuisten metallilasimateriaalien valmistukseen. Metallit ja metalliseokset omaavat erinomaiset työstöominaisuudet, ja vaikka niitä on tutkittu laajasti viimeisten kymmenen vuoden aikana, metallimateriaalien tai metallipohjaisten komposiittimateriaalien käyttöala tulee edelleen laajenemaan asteittain, kun kylmäruiskutus vakiintuu tulevaisuudessa keskeiseksi lisäaineiden valmistus- ja korjausmenetelmäksi.

02

Kylmäruiskutuksen pääasialliset käyttökohteet

(1) Elektroniikka-alalla hyödynnetään kylmäruiskutustekniikkaa hopeapinnoitteen nopeaan ruiskuttamiseen kohdemateriaalin tukikerroksen päälle. Kylmäruiskutuksella suoraan muotoillulla kohdemateriaalilla on korkea tuotantotehokkuus, suhteellisen suuri tiheys sekä hyvä tarttuvuus tukikerrokseen, Kohdemateriaalin sisäinen rakeinen rakenne on tasainen ja hienojakoinen, eikä siinä ole rakenteellisia vikoja, ja pinnoitustehokkuus on suhteellisen korkea. Nykyisin kylmäruiskutuksella suoraan muotoiltuja suuria metallisia sputterointikohteita käytetään laajalti elektroniikka- ja tietotekniikkateollisuudessa, kuten integroiduissa piireissä, nestekidenäytöissä, tietojen tallennuksessa, lasin pinnoituksessa, lasertallennuslaitteissa ja sähkölaitteissa.

Kylmäruiskutukseen tarkoitettu pyörivä hopeakohde

(2) Ilmailu- ja avaruusteollisuudessa kylmäruiskutustekniikalla voidaan käsitellä lentokoneiden moottoreita, valmistaa lentokoneiden laskutelineitä sekä lentokoneiden siipiä ja muita lentokoneen osia, ja luoda niiden pintaan suojapinnoite, joka on tiheä, johtaa sähköä ja lämpöä hyvin, ja erittäin vahva tarttuvuus, mikä vähentää tehokkaasti ilma-aluksen energiankulutusta ja parantaa samalla valmistettujen osien korroosionkestävyyttä.

Suurten ilmailukomponenttien valmistus kylmäsuihkutuksella