Практическо изпитване на кавитационната ерозия на бронзови покрития за морски приложения

Изпитването на кавитационната ерозия е най-полезно, когато свързва контролираното лабораторно въздействие с реален инженерен проблем. Практически пример е оценяването на устойчиви на кавитация бронзови покрития за морски компоненти като корабни рулове и гребни винтове. Тези части работят в зони, където локалните колебания на налягането могат да образуват парни мехурчета, които се свиват и разрушават близо до повърхността, създавайки повтарящи се ударни натоварвания с висок интензитет. С течение на времето това причинява образуване на ямки, повреди от умора, разрушаване на покритието и загуба на материал.

Изпитване на кавитационната ерозия на бронзови покрития

В изследването на Hauer и съавт. бронзови покрития, получени чрез студено напръскване, топло напръскване, HVOF напръскване и електродъгово напръскване, са сравнени с лят никел-алуминиев бронз и корабостроителна стомана. Основният въпрос е прост: кой процес на нанасяне на покритие може да създаде бронзова повърхност, която издържа на кавитационно въздействие достатъчно дълго за експлоатация в морски условия? За да отговорят на него, изследователите използват изпитване на кавитационната ерозия, основано на ASTM G32-16, с вибрационен апарат, включително ултразвукова вибрационна система Hielscher UIP1000hdT като изпитвателна система.

Прецизен контрол на условията на изпитване и автоматизирано записване на данни

Ултразвуковият апарат UIP1000hdT е подходящ за този тип изпитване, защото осигурява нискочестотен ултразвук с висок интензитет в диапазона, използван за изпитване на кавитационната ерозия. Установката за изпитване на кавитационната ерозия с ултразвуков апарат с мощност 1000 вата работи при 20 kHz и позволява прецизно наблюдение на процеса, контрол на амплитудата, измерване на температурата и автоматично протоколиране на данните от изпитването. Тези функции са важни, защото интензитетът на кавитацията зависи силно от амплитудата, температурата на течността, налягането на течността, геометрията на сонотрода и разстоянието между сонотрода и образеца.

(a) Изпитване на кавитационната ерозия съгласно ASTM G32-16 с ултразвуков апарат UIP1000hd (непряк метод). Всички параметри на изпитването са номинални стойности; допуските са посочени в стандарта.
(b) Схематично представени фази на кривата ерозия–време и характерни параметри на процедурата за изпитване.
Графични изображения и изследване: ©Hauer и съавт., 2021.

Ултразвуково изпитване на кавитационната ерозия на бронзови покрития

В примера с бронзовото покритие за морски приложения изпитването е извършено по непряката схема на ASTM G32. При тази конфигурация образецът не е прикрепен към вибриращия сонотрод. Вместо това ултразвуковият сонотрод генерира кавитация в дестилирана вода, а образецът с покритие е закрепен под сонотрода на определено разстояние. Hauer и съавт. използват разстояние от 0,5 mm между пробата и сонотрода, честота от 20 kHz и амплитуда от връх до връх от 50 µm. Изпитвателната течност е дестилирана вода, поддържана приблизително при стайна температура, около 25 °C.

Подготовката на образеца е критична стъпка. Преди кавитационното въздействие повърхностите с покритие са шлифовани и полирани поетапно, като накрая е използван фин диамантен абразив с размер под 4 µm. Това намалява влиянието на слабо закрепени частици или повърхностни неравности, които иначе биха могли да се отделят веднага и да изкривят кривата на ерозията. Целта не е покритието да изглежда добре, а да се създаде възпроизводимо начално състояние, така че измерената загуба на маса да отразява устойчивостта на кавитация, а не лошата подготовка на повърхността.

Процедура за ултразвуково изпитване на кавитационната ерозия и резултати

Практическата процедура за изпитване е проста. Първо всеки образец се почиства, изсушава и претегля на прецизна везна. След това се монтира в изпитвателната клетка под сонотрода BS4d22 на ултразвуковия апарат UIP1000hdT, като разстоянието от 0,5 mm се задава внимателно и възпроизводимо. Ултразвуковият апарат работи при определените амплитуда и честота, а температурата на течността се контролира, за да се предотврати промяна на интензитета на кавитацията вследствие на нагряването. След определен интервал на въздействие образецът се изважда, почиства, изсушава и претегля отново. Тази последователност се повтаря при нарастващи интервали на въздействие, зависещи от материала, докато се получи пълна крива на ерозията.
Първично измерваната величина е загубата на маса. За инженерно сравнение тази загуба на маса се преобразува в загуба на обем, като се използва плътността на материала. След това загубата на обем се разделя на площта на повърхността, изложена на въздействието, за да се определи средната дълбочина на ерозията. От кривата на дълбочината на ерозията изследователят може да изчисли характерни параметри на ерозията като максимална скорост на ерозия, крайна скорост на ерозия и средна дълбочина на ерозията. Hielscher също отбелязва, че ерозията може да се отчита като маса, обем или дълбочина на проникване за единица време или за единица подадена ултразвукова енергия, в зависимост от избрания протокол.

Средни дълбочини на ерозията като функция на зададените параметри за качество на покритието n. Отгряването на праха и произтичащото от него намаляване на якостта на праха позволяват постигането на високо качество на покритията. Вмъкнатите изображения показват повърхностните повреди, получени след време на кавитационно изпитване от 100min.
Графики и изследване: ©Hauer и съавт., 2021.

Важен извод от изследването на Hauer е, че скоростите на ерозия в началния етап могат да бъдат подвеждащи. Покритията, нанесени чрез термично и кинетично напръскване, често показват висока първоначална загуба на материал, последвана от по-ниска и по-стабилна скорост на ерозия. По тази причина Hauer и съавт. използват крайната скорост на ерозия като по-представителен показател за дългосрочното поведение на покритието. В своето 120-минутно сравнение те оценяват крайната скорост на ерозия главно въз основа на втората половина на изпитването, след 60 минути, за да отразят по-добре стабилизираното поведение.

Резултатите от изпитването показват защо контролираният вибрационен кавитационен апарат е ценен. Лятият никел-алуминиев бронз постига крайна скорост на ерозия от около 0,40 µm/h. Оптимизираният бронз, нанесен чрез топло напръскване, достига 0,57 µm/h, близо до лятата еталонна проба. Оптимизирано електродъгово напръскано покритие върху корабостроителна стомана достига около 1,02 µm/h, а оптимизирано HVOF покритие достига около 1,74 µm/h. Дори когато тези покрития не достигат напълно показателите на летия бронз за гребни винтове, те значително превъзхождат корабостроителната стомана; изследването съобщава, че електродъгово напръсканите и HVOF напръсканите покрития постигат съответно около 26 пъти и 16 пъти по-добра устойчивост на кавитация от стоманата VL-A.

Използвайте ултразвуков апарат като вибрационен апарат за вашите изпитвания на кавитационната ерозия

Практическият извод е, че изпитването на кавитационната ерозия с ултразвуковия апарат UIP1000hdT като вибрационен апарат може да даде повече от класиране на материалите. То разкрива как процесът на нанасяне на покритието, микроструктурата, съдържанието на оксиди, порьозността, свързването на границата между покритието и основата и последващата обработка влияят върху реалното ерозионно поведение. Hauer и съавт. заключават, че HVOF и електродъговото напръскване могат да предложат добър компромис между експлоатационни показатели и разходи за подобряване на повърхностите на стоманени рулове, докато студеното и топлото напръскване са предпочитани, когато се изисква устойчивост на кавитация, близка до тази на масивния никел-алуминиев бронз.

За лабораториите и разработчиците на покрития ключът към възпроизводими резултати е строгият контрол на параметрите на изпитването: амплитуда на сонотрода, честота, разстояние между сонотрода и пробата, температура на течността, химичен състав на течността, подготовка на образеца, интервали на претегляне и изчисляване на скоростта на ерозия. При определени по този начин условия Hielscher UIP1000hdT осигурява практичен и възпроизводим начин за преобразуване на ултразвуковата кавитация в количествени данни за експлоатационните показатели на покритията.

Примерен работен лист за изпитване на кавитационната ерозия

 
Тук можете да намерите инструкции за изпитвания на кавитационната ерозия!

Установка за изпитване на кавитационната ерозия съгласно ASTM G32

Ултразвуковите апарати UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT и UIP2000hdT са подходящи за изпитване съгласно ASTM G32. Можем да доставим всеки от тези апарати с точен протокол за измерване на амплитудата на механичните трептения на върха на сонотрода. Препоръчваме използването на който и да е от тези апарати със сонотрод BS4d22 (диаметър 22mm) и стойка ST2.

ASTM G32 -16 сонотрод 15,9mm със сменяем накрайник

Проектиране, производство и консултации – качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати на Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и проектиране. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени инсталации. Ултразвуковите апарати на Hielscher лесно се справят с тежки условия и взискателни работни среди.

Hielscher Ultrasonics е компания, сертифицирана по ISO, и поставя специален акцент върху високопроизводителни ултразвукови апарати с най-съвременни технологии и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати на Hielscher съответстват на CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.

Литература / Източници

• 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.