اختبار عملي للتعرية بالتجويف لطلاءات البرونز البحرية

يكون اختبار التعرية بالتجويف أكثر فائدة عندما يربط التعرض المخبري المضبوط بمشكلة هندسية واقعية. ومن الأمثلة العملية تقييم طلاءات البرونز المقاومة للتجويف للمكونات البحرية، مثل دفات السفن ومراوح الدفع. تعمل هذه الأجزاء في مناطق يمكن أن تؤدي فيها تقلبات الضغط الموضعية إلى توليد فقاعات بخار تنهار بالقرب من السطح، فتُحدث أحمال صدم متكررة عالية الشدة. وبمرور الوقت، يؤدي ذلك إلى التنقر، وأضرار الكلال، وفشل الطلاء، وفقدان المادة.

اختبار التعرية بالتجويف لطلاءات البرونز

في دراسة Hauer وآخرين، قورنت طلاءات البرونز المنتجة بالرش البارد، والرش الدافئ، والرش باللهب عالي السرعة باستخدام الوقود والأكسجين (HVOF)، والرش بالقوس الكهربائي، ببرونز النيكل والألومنيوم المصبوب وفولاذ بناء السفن. وكان السؤال المحوري بسيطًا: أي عملية طلاء يمكن أن تنتج سطحًا برونزيًا يتحمل التعرض للتجويف مدة كافية للاستخدام البحري؟ للإجابة عن هذا السؤال، استخدم الباحثون اختبارًا للتعرية بالتجويف يستند إلى ASTM G32-16 باستخدام جهاز اهتزازي، بما في ذلك نظام Hielscher UIP1000hdT الاهتزازي بالموجات فوق الصوتية بوصفه نظام الاختبار.

التحكم الدقيق في ظروف الاختبار والتسجيل الآلي للبيانات

يُعد جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UIP1000hdT ملائمًا جدًا لهذا النوع من الاختبارات، لأنه يوفر موجات فوق صوتية عالية الشدة ومنخفضة التردد ضمن النطاق المستخدم لاختبار التعرية بالتجويف. يعمل تجهيز اختبار التعرية بالتجويف الذي يستخدم جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية بقدرة 1000 واط عند 20 kHz، ويتيح المراقبة الدقيقة للعملية، والتحكم في السعة، وقياس درجة الحرارة، والتسجيل الآلي لبيانات الاختبار. وتكتسب هذه الوظائف أهمية لأن شدة التجويف تعتمد بدرجة كبيرة على السعة، ودرجة حرارة السائل، وضغط السائل، وهندسة السونوترود، والمسافة بين السونوترود وعينة الاختبار.

(a) اختبار التعرية بالتجويف وفقًا للمعيار ASTM G32-16 باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UIP1000hd (الطريقة غير المباشرة). جميع معلمات الاختبار قيم اسمية؛ وترد حدود التفاوت المسموح بها في المعيار.
(b) تمثيل تخطيطي للمراحل في منحنى التعرية مع الزمن والمعلمات المميزة في إجراء الاختبار.
الرسومات والدراسة: ©Hauer et al., 2021.

اختبار التعرية بالتجويف بالموجات فوق الصوتية لطلاءات البرونز

في مثال طلاء البرونز البحري، أُجري الاختبار وفق الترتيب غير المباشر للمعيار ASTM G32. في هذا الترتيب، لا تُثبَّت عينة الاختبار على البوق الاهتزازي. وبدلًا من ذلك، يُولِّد السونوترود بالموجات فوق الصوتية التجويف في الماء المقطر، وتُثبَّت العينة المطلية أسفل السونوترود مع فجوة محددة. استخدم Hauer وآخرون مسافة قدرها 0.5 mm بين العينة والسونوترود، وترددًا قدره 20 kHz، وسعة من قمة إلى قمة قدرها 50 µm. وكان سائل الاختبار ماءً مقطرًا حُفظ عند درجة حرارة تقارب درجة حرارة الغرفة، أي نحو 25 °C.

يُعد تحضير عينات الاختبار خطوة بالغة الأهمية. قبل التعرض للتجويف، جرى تجليخ الأسطح المطلية وصقلها تدريجيًا وصولًا إلى استخدام مادة كاشطة ماسية دقيقة بحجم أقل من 4 µm. ويقلل ذلك من تأثير الجسيمات ضعيفة الالتصاق أو عدم انتظام السطح، التي قد تنفصل فورًا لولا ذلك وتشوّه منحنى التعرية. وليس الهدف تحسين مظهر الطلاء، بل إيجاد حالة ابتدائية قابلة للتكرار بحيث يعكس فقدان الكتلة المقاس مقاومة التجويف بدلًا من سوء تحضير السطح.

إجراء اختبار التعرية بالتجويف بالموجات فوق الصوتية ونتائجه

إجراء الاختبار العملي واضح ومباشر. أولًا، تُنظَّف كل عينة اختبار وتُجفَّف وتُوزَن باستخدام ميزان دقيق. ثم تُثبَّت في خلية الاختبار أسفل السونوترود BS4d22 الخاص بجهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UIP1000hdT، مع ضبط الفجوة البالغة 0.5 mm بعناية وبصورة قابلة للتكرار. يُشغَّل جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية عند السعة والتردد المحددين، مع التحكم في درجة حرارة السائل لمنع التسخين من تغيير شدة التجويف. وبعد فترة تعرض محددة، تُزال العينة وتُنظَّف وتُجفَّف وتُوزَن مجددًا. ويُكرَّر هذا التسلسل على فترات تعرض متزايدة تعتمد على المادة، إلى أن يُحصَل على منحنى تعرية كامل.
القياس الأولي هو فقدان الكتلة. ولإجراء المقارنة الهندسية، يُحوَّل فقدان الكتلة هذا إلى فقدان في الحجم باستخدام كثافة المادة. ثم يُقسَم فقدان الحجم على مساحة السطح المعرض لتحديد متوسط عمق التعرية. ومن منحنى عمق التعرية، يمكن للباحث حساب معلمات التعرية المميزة، مثل معدل التعرية الأقصى، ومعدل التعرية النهائي، ومتوسط عمق التعرية. وتشير Hielscher أيضًا إلى إمكان التعبير عن التعرية بوصفها كتلة أو حجمًا أو عمق اختراق لكل وحدة زمن أو لكل وحدة من الطاقة فوق الصوتية المُوصَلة، بحسب البروتوكول المختار.

متوسطات أعماق التعرية بدلالة معلمات جودة الطلاء المضبوطة n. يتيح تلدين المسحوق، وما يترتب عليه من انخفاض مقاومته الميكانيكية، تحقيق جودة عالية للطلاء. وتُظهر الصور المدرجة تلف السطح الناتج بعد مدة اختبار تجويف قدرها 100min.
الرسوم البيانية والدراسة: ©Hauer et al., 2021.

من الدروس المهمة المستفادة من دراسة Hauer أن معدلات التعرية المبكرة قد تكون مضللة. فكثيرًا ما أظهرت الطلاءات المنتجة بالرش الحراري والحركي فقدانًا أوليًا مرتفعًا للمادة، أعقبه معدل تعرية أقل وأكثر استقرارًا. ولهذا السبب، استخدم Hauer وآخرون معدل التعرية النهائي بوصفه مؤشرًا أكثر تمثيلًا لأداء الطلاء على المدى الطويل. وفي مقارنتهم التي استمرت 120 دقيقة، قُيِّم معدل التعرية النهائي أساسًا من النصف الثاني للاختبار، بعد 60 دقيقة، لرصد السلوك المستقر بصورة أفضل.

تُظهر نتائج الاختبار سبب أهمية جهاز التجويف الاهتزازي المضبوط. فقد حقق برونز النيكل والألومنيوم المصبوب معدل تعرية نهائيًا بلغ نحو 0.40 µm/h. وبلغ البرونز المُحسَّن المنتج بالرش الدافئ 0.57 µm/h، وهو قريب من المادة المرجعية المصبوبة. وحقق طلاء مُحسَّن منتج بالرش بالقوس الكهربائي على فولاذ بناء السفن نحو 1.02 µm/h، بينما حقق طلاء HVOF مُحسَّن نحو 1.74 µm/h. وحتى عندما لم تضاهِ هذه الطلاءات تمامًا برونز مراوح الدفع المصبوب، فقد تفوقت بدرجة كبيرة على فولاذ بناء السفن؛ إذ أفادت الدراسة بأن الطلاءات المنتجة بالرش بالقوس الكهربائي وبالرش HVOF حققت مقاومة للتجويف أفضل بنحو 26 ضعفًا و16 ضعفًا، على التوالي، مقارنة بفولاذ VL-A.

استخدم جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية بوصفه جهازًا اهتزازيًا لاختبارات التعرية بالتجويف

الخلاصة العملية هي أن اختبار التعرية بالتجويف باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UIP1000hdT بوصفه جهازًا اهتزازيًا يمكن أن يحقق أكثر من مجرد ترتيب المواد حسب أدائها. فهو يكشف كيف تؤثر عملية الطلاء، والبنية المجهرية، ومحتوى الأكاسيد، والمسامية، والترابط عند السطح البيني، والمعالجة اللاحقة في سلوك التعرية الفعلي. وخلص Hauer وآخرون إلى أن الرش HVOF والرش بالقوس الكهربائي يمكن أن يوفرا توازنًا جيدًا بين الأداء والتكلفة لتحسين أسطح الدفات الفولاذية، بينما يُفضَّل الرش البارد والرش الدافئ عندما تكون هناك حاجة إلى مقاومة للتجويف قريبة من مقاومة برونز النيكل والألومنيوم في صورته الكتلية.

بالنسبة إلى المختبرات ومطوري الطلاءات، يتمثل مفتاح الحصول على نتائج قابلة للتكرار في التحكم الصارم في معلمات الاختبار: سعة السونوترود، والتردد، والمسافة بين السونوترود والعينة، ودرجة حرارة السائل، والتركيب الكيميائي للسائل، وتحضير عينات الاختبار، والفترات بين عمليات الوزن، وحساب معدل التعرية. وعند تحديد هذه الظروف، يوفر Hielscher UIP1000hdT وسيلة عملية وقابلة للتكرار لتحويل التجويف بالموجات فوق الصوتية إلى بيانات كمية عن أداء الطلاء.

نموذج ورقة عمل لاختبار التعرية بالتجويف

 
يمكنك العثور هنا على تعليمات اختبارات التعرية بالتجويف!

تجهيز اختبار التعرية بالتجويف وفق ASTM G32

أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية UIP500hdT وUIP1000hdT وUIP15000hdT وUIP2000hdT مناسبة للاختبارات وفق ASTM G32. ويمكننا تزويد كل وحدة من هذه الوحدات ببروتوكول دقيق لقياس السعة الميكانيكية عند طرف السونوترود. ونوصي باستخدام أي من هذه الأجهزة مع سونوترود BS4d22 (بقطر 22mm) وحامل ST2.

سونوترود 15.9mm بطرف قابل للاستبدال وفق ASTM G32 -16

التصميم والتصنيع والاستشارات – جودة مصنوعة في ألمانيا

تشتهر أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بأعلى معايير الجودة والتصميم. وتتيح المتانة وسهولة التشغيل دمج أجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية بسلاسة في المنشآت الصناعية. وتتعامل أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بسهولة مع الظروف القاسية والبيئات الصعبة.

Hielscher Ultrasonics شركة حاصلة على شهادة ISO، وتولي اهتمامًا خاصًا لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء التي تتميز بأحدث التقنيات وسهولة الاستخدام. وبالطبع، تتوافق أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher مع CE وتستوفي متطلبات UL وCSA وRoHs.

المؤلفات / المراجع

• Hielscher Cavitation Erosion Test Protocol – ASTM G32
• Hauer, Michél; Gärtner, Frank; Krebs, Sebastian; Klassen, Thomas; Watanabe, Makoto; Kuroda, Seiji; Krömmer, Werner; Henkel, Knuth-Michael (2021): Process Selection for the Fabrication of Cavitation Erosion-Resistant Bronze Coatings by Thermal and Kinetic Spraying in Maritime Applications. Journal of Thermal Spray Technology 30, 2021.
• Bolewski, Łukasz; Szkodo, Marek; Kmieć, Mateusz (2017): Cavitation erosion degradation of Belzona® coatings. Advances in Materials Science. 17, 2017.
• Kmieć, Mateusz; Karpiński, Bartłomiej; Szkodo, Marek (2016): Cavitation Erosion of P110 Steel in Different Drilling Muds. Advances in Materials Science. 16, 2016.
• Müller, Saskia; Fischper, Maurice; Mottyll, Stephan; Skoda, Romuald; Hussong, Jeanette (2014): Analysis of the cavitating flow induced by an ultrasonic horn – Experimental investigation on the influence of actuation phase, amplitude and geometrical boundary conditions. EPJ Web of Conferences 67, 2014.