اختبار عملي للتآكل الناتج عن التكهف في طلاءات البرونز البحري

يكون اختبار التآكل الناتج عن التكهف أكثر فائدةً عندما يربط بين التعرض المُحكَم في المختبر ومشكلة هندسية حقيقية. ومن الأمثلة العملية على ذلك تقييم الطلاءات البرونزية المقاومة للتجويف المستخدمة في المكونات البحرية مثل دفات السفن والمراوح. تعمل هذه الأجزاء في مناطق قد تؤدي فيها التقلبات المحلية في الضغط إلى تكوين فقاعات بخار تنهار بالقرب من السطح، مما يولد أحمال صدمية متكررة عالية الشدة. وبمرور الوقت، يؤدي ذلك إلى حدوث تآكل نقطي، وتلف ناتج عن الإجهاد، وفشل الطلاء، وفقدان المواد.

اختبار التآكل الناتج عن التكهف للطلاءات البرونزية

في الدراسة التي أجراها هاور وزملاؤه، تمت مقارنة الطلاءات البرونزية التي تم إنتاجها بواسطة الرش البارد، والرش الدافئ، والرش بتقنية HVOF، والرش القوسي، مع البرونز المصبوب من النيكل والألومنيوم وفولاذ بناء السفن. وكان السؤال الأساسي بسيطًا: ما هي عملية الطلاء التي يمكنها إنتاج سطح برونزي يتحمل التعرض للتجويف لفترة كافية لتلبية متطلبات الخدمة البحرية؟ للإجابة على هذا السؤال، استخدم الباحثون اختبار تآكل التكهف وفقًا لمعيار ASTM G32-16 باستخدام جهاز اهتزازي، بما في ذلك نظام اهتزاز بالموجات فوق الصوتية من طراز Hielscher UIP1000hdT كنظام اختبار.

التحكم الدقيق في ظروف الاختبار والتسجيل الآلي للبيانات

يُعد جهاز الموجات فوق الصوتية UIP1000hdT مناسبًا تمامًا لهذا النوع من الاختبارات لأنه يوفر موجات فوق صوتية عالية الكثافة ومنخفضة التردد في النطاق المستخدم لاختبار التآكل الناتج عن التكهف. يعمل جهاز اختبار التآكل بالتجويف الذي يستخدم جهاز الموجات فوق الصوتية بقدرة 1000 واط على تردد 20 كيلوهرتز، ويتيح المراقبة الدقيقة للعملية، والتحكم في السعة، وقياس درجة الحرارة، وتسجيل بيانات الاختبار تلقائيًا. تعد هذه الوظائف مهمة لأن شدة التكهف تعتمد بشكل كبير على السعة ودرجة حرارة السائل وضغط السائل وشكل السونوترويد والمسافة بين السونوترويد والعينة.

(أ) اختبار التآكل الناتج عن التكهف وفقًا لمعيار ASTM G32-16 باستخدام جهاز التكهف UIP1000hd (الطريقة غير المباشرة). جميع معلمات الاختبار هي قيم اسمية؛ أما التفاوتات المسموح بها فهي مذكورة في المعيار.
(ب) المراحل التخطيطية في منحنى التآكل مقابل الزمن والمعلمات المميزة في إجراءات الاختبار.
الرسوم البيانية والدراسة: ©Hauer et al., 2021.

اختبار تآكل الطلاءات البرونزية بواسطة التجويف بالموجات فوق الصوتية

بالنسبة لمثال طلاء البرونز البحري، أُجري الاختبار وفقًا لترتيب ASTM G32 غير المباشر. في هذا الترتيب، لا يتم تثبيت العينة على البوق الاهتزازي. بدلاً من ذلك، يُحدث سونوترويد الموجات فوق الصوتية تجويفًا في الماء المقطر، ويتم تثبيت العينة المطلية أسفل السونوترويد على مسافة محددة. استخدم هاور وزملاؤه مسافة 0.5 مم بين العينة والسونوترويد، وترددًا قدره 20 كيلوهرتز، وسعة من الذروة إلى الذروة تبلغ 50 ميكرومتر. وكان السائل المستخدم في الاختبار هو الماء المقطر، الذي تم الحفاظ على درجة حرارته عند درجة حرارة الغرفة تقريبًا، أي حوالي 25 درجة مئوية.

يُعد تحضير العينات خطوة حاسمة. قبل تعريضها للتجويف، تم صقل الأسطح المطلية وتلميعها تدريجيًّا باستخدام مادة كاشطة ماسية دقيقة يقل حجمها عن 4 ميكرومتر. ويؤدي ذلك إلى تقليل تأثير الجسيمات غير المتماسكة أو التفاوتات السطحية التي قد تنفصل فورًا وتشوه منحنى التآكل. والهدف ليس جعل الطلاء يبدو جيدًا، بل تهيئة ظروف أولية قابلة للتكرار بحيث يعكس فقدان الكتلة المقاس مقاومة التكهف بدلاً من سوء تحضير السطح.

إجراءات اختبار التآكل الناتج عن التجويف بالموجات فوق الصوتية ونتائجه

إجراءات الاختبار العملي بسيطة ومباشرة. أولاً، يتم تنظيف كل عينة وتجفيفها ووزنها على ميزان دقيق. ثم يتم تثبيتها في حجرة الاختبار أسفل السونوترويد BS4d22 الخاص بجهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UIP1000hdT، مع ضبط الفجوة البالغة 0.5 مم بعناية وبشكل قابل للتكرار. يتم تشغيل جهاز الموجات فوق الصوتية بالسعة والتردد المحددين، بينما يتم التحكم في درجة حرارة السائل لمنع التسخين من تغيير شدة التكهف. بعد فترة تعرض محددة، يتم إزالة العينة وتنظيفها وتجفيفها ووزنها مرة أخرى. يتم تكرار هذه السلسلة من الخطوات على فترات تعرض متزايدة تعتمد على نوع المادة حتى يتم الحصول على منحنى تآكل كامل.
القياس الأولي هو فقدان الكتلة. ولأغراض المقارنة الهندسية، يتم تحويل هذا الفقدان في الكتلة إلى فقدان في الحجم باستخدام كثافة المادة. ثم يُقسَم فقدان الحجم على مساحة السطح المكشوف لتحديد متوسط عمق التآكل. من منحنى عمق التآكل، يمكن للباحث حساب معلمات التآكل المميزة مثل معدل التآكل الأقصى، ومعدل التآكل النهائي، وعمق التآكل المتوسط. ويشير هيلشر أيضًا إلى أنه يمكن الإبلاغ عن التآكل ككتلة أو حجم أو عمق اختراق لكل وحدة زمنية أو لكل طاقة فوق صوتية مُقدَّمة، اعتمادًا على البروتوكول المختار.

متوسط أعماق التآكل كدالة لمعلمات جودة الطلاء المعدلة. إن تلدين المسحوق، وما يترتب عليه من انخفاض في متانة المسحوق، يتيح الوصول إلى مستويات عالية من جودة الطلاء. تُظهر الملحقات التلف السطحي الناتج بعد إجراء اختبار التكهف لمدة 100 دقيقة.
الرسوم البيانية والدراسة: ©Hauer et al., 2021.

أحد الدروس المهمة المستفادة من دراسة هاور هو أن معدلات التآكل المبكرة قد تكون مضللة. فغالبًا ما أظهرت الطلاءات المرشوشة حراريًّا وحركيًّا فقدانًا مبدئيًّا كبيرًا للمادة، يتبعه معدل تآكل أقل وأكثر استقرارًا. ولهذا السبب، استخدم هاور وزملاؤه معدل التآكل النهائي كمؤشر أكثر تمثيلاً لأداء الطلاء على المدى الطويل. في المقارنة التي استغرقت 120 دقيقة، تم تقييم معدل التآكل النهائي بشكل أساسي من النصف الثاني من الاختبار، أي بعد مرور 60 دقيقة، من أجل رصد السلوك المستقر بشكل أفضل.

تُظهر نتائج الاختبار الأسباب التي تجعل جهاز التجويف الاهتزازي المُحكَم ذا قيمة كبيرة. فقد حقق برونز النيكل والألومنيوم المصبوب معدل تآكل نهائي يبلغ حوالي 0.40 ميكرومتر/ساعة. أما البرونز المُحسَّن المطلي بالرش الحار فقد بلغ معدل تآكله 0.57 ميكرومتر/ساعة، وهو قريب من القيمة المرجعية للمادة المصبوبة. وبلغ معدل التآكل النهائي للطلاء المُحسَّن المطلي بالقوس الكهربائي على فولاذ بناء السفن حوالي 1.02 ميكرومتر/ساعة، بينما بلغ معدل التآكل النهائي للطلاء المُحسَّن المطلي بتقنية HVOF حوالي 1.74 ميكرومتر/ساعة. وحتى عندما لم تتطابق هذه الطلاءات تمامًا مع برونز المروحة المصبوب، فقد تفوقت بشكل كبير على فولاذ بناء السفن؛ وتشير الدراسة إلى أن الطلاءات المرشوشة بالقوس الكهربائي والطلاءات المرشوشة بتقنية HVOF حققت مقاومة للتجويف أفضل بنحو 26 ضعفًا و16 ضعفًا، على التوالي، مقارنةً بفولاذ VL-A.

استخدم جهاز «Sonicator» كجهاز اهتزازي في اختبارات التآكل الناتج عن التكهف

والاستنتاج العملي هو أن اختبار التآكل الناتج عن التكهف باستخدام جهاز UIP1000hdT كجهاز اهتزازي لا يقتصر دوره على تصنيف المواد فحسب، بل يكشف أيضًا عن كيفية تأثير عملية الطلاء، والبنية المجهرية، ومحتوى الأكسيد، والمسامية، والترابط بين الأسطح، والمعالجة اللاحقة على سلوك التآكل الفعلي. وخلص هاور وزملاؤه إلى أن تقنيتي HVOF والرش القوسي يمكن أن توفرا توازنًا قويًّا بين الأداء والتكلفة لتحسين أسطح الدفات الفولاذية، في حين يُفضل استخدام الرش البارد والدافئ عندما تكون مقاومة التآكل بالتجويف مطلوبة بمستوى قريب من برونز النيكل والألومنيوم السائب.

بالنسبة للمختبرات ومطوري الطلاءات، يكمن مفتاح الحصول على نتائج قابلة للتكرار في التحكم الدقيق في معلمات الاختبار: سعة السونوترويد، والتردد، والمسافة بين السونوترويد والعينة، ودرجة حرارة السائل، والتركيب الكيميائي للسائل، وإعداد العينة، وفترات الوزن، وحساب معدل التآكل. وبعد تحديد هذه الشروط، يوفر جهاز Hielscher UIP1000hdT طريقة عملية وقابلة للتكرار لتحويل التكهف بالموجات فوق الصوتية إلى بيانات كمية لأداء الطلاء.

نموذج ورقة عمل لاختبار تآكل التجويف

 
يمكنك الاطلاع على إرشادات اختبارات التآكل الناتج عن التكهف هنا!

تركيب جهاز اختبار التآكل الناتج عن التكهف وفقًا لمعيار ASTM G32

تعد أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية UIP500hdT وUIP1000hdT وUIP15000hdT وUIP2000hdT مناسبة لإجراء اختبار ASTM G32. ويمكننا تزويد كل وحدة من هذه الوحدات بجهاز قياس دقيق بروتوكول قياس السعة لسعة الذبذبة الميكانيكية عند طرف السونوترويد. نوصي باستخدام أي من هذين الجهازين مع السونوترويد BS4d22 (قطر 22 مم) والحامل ST2.

ASTM G32 -16 15.9mm سونوترودي مع طرف قابل للاستبدال

التصميم والتصنيع والاستشارات – جودة صنع في ألمانيا

Hielscher الموجات فوق الصوتية معروفة جيدا لأعلى معايير الجودة والتصميم. المتانة والتشغيل السهل تسمح بالتكامل السلس للموجات فوق الصوتية لدينا في المنشآت الصناعية. يتم التعامل بسهولة مع الظروف القاسية والبيئات الصعبة بواسطة الموجات فوق الصوتية Hielscher.

Hielscher Ultrasonics هي شركة حاصلة على شهادة الأيزو وتركز بشكل خاص على الموجات فوق الصوتية عالية الأداء التي تتميز بأحدث التقنيات وسهولة الاستخدام. بطبيعة الحال، الموجات فوق الصوتية Hielscher هي CE المتوافقة وتلبية متطلبات UL، وكالة الفضاء الكندية وبنفايات.

الأدب / المراجع