Практически изпитвания за кавитационна ерозия на покрития от морска бронз

Изпитването за кавитационна ерозия е най-полезно, когато свързва контролирано лабораторно излагане с реален инженерен проблем. Практически пример е оценката на устойчиви на кавитация бронзови покрития за морски компоненти, като например корабни рули и витла. Тези части работят в зони, където локалните колебания на налягането могат да генерират парови мехурчета, които се разпадат близо до повърхността, създавайки повтарящи се ударни натоварвания с висока интензивност. С течение на времето това води до образуване на питинг, умора на материала, повреда на покритието и загуба на материал.

Изпитване на бронзови покрития за кавитационна ерозия

В проучването на Hauer и др. бронзовите покрития, получени чрез студено разпръскване, топло разпръскване, HVOF разпръскване и дъгово разпръскване, бяха сравнени с леена никелово-алуминиева бронза и корабостроителна стомана. Основният въпрос беше прост: кой метод за нанасяне на покритие може да създаде бронзова повърхност, която да издържи на въздействието на кавитацията достатъчно дълго за експлоатация в морска среда? За да отговорят на този въпрос, изследователите използваха тест за кавитационна ерозия съгласно стандарта ASTM G32-16 с вибрационна апаратура, включваща ултразвукова вибрационна система Hielscher UIP1000hdT като тестова система.

Прецизен контрол на условията на изпитване и автоматизирано записване на данни

Ултразвуковият апарат UIP1000hdT е изключително подходящ за този вид изпитвания, тъй като генерира ултразвук с висока интензивност и ниска честота в диапазона, използван за изпитвания за кавитационна ерозия. Устройството за изпитване на кавитационна ерозия, използващо ултразвуковия апарат с мощност 1000 вата, работи при 20 kHz и позволява прецизно наблюдение на процеса, контрол на амплитудата, измерване на температурата и автоматично записване на данните от изпитването. Тези функции са важни, тъй като интензитетът на кавитацията зависи силно от амплитудата, температурата на течността, налягането на течността, геометрията на сонотрода и разстоянието между сонотрода и пробата.

(а) Изпитване за кавитационна ерозия съгласно ASTM G32-16 с ултразвуков апарат UIP1000hd (непряк метод). Всички параметри на изпитването са номинални стойности; допустимите отклонения са посочени в стандарта.
(б) Схематични фази в кривата „ерозия – време“ и характерни параметри в процедурата за изпитване.
Графики и изследване: ©Hauer и др., 2021 г.

Изпитване на бронзови покрития за ултразвукова кавитационна ерозия

За примера с морското бронзово покритие изпитването беше проведено при непряката конфигурация по ASTM G32. При тази конфигурация пробата не е закрепена към вибриращия рог. Вместо това ултразвуковият сонотрод генерира кавитация в дестилирана вода, а пробата с покритието е фиксирана под сонотрода на определено разстояние. Hauer и др. са използвали разстояние от 0,5 mm между пробата и сонотрода, честота от 20 kHz и амплитуда от връх до връх от 50 µm. Тестовата течност е била дестилирана вода, поддържана при приблизително стайна температура, около 25 °C.

Подготовката на пробите е критичен етап. Преди излагането на кавитация повърхностите с покритие бяха постепенно шлифовани и полирани с фин диамантен абразив до дебелина под 4 µm. Това намалява влиянието на слабо прилепнали частици или неравности по повърхността, които иначе биха могли да се откъснат веднага и да изкривят кривата на ерозията. Целта не е покритието да изглежда добре, а да се създадат възпроизводими начални условия, така че измерената загуба на маса да отразява устойчивостта на кавитация, а не лошата подготовка на повърхността.

Процедурата за изпитване на ерозията чрез ултразвукова кавитация и нейните резултати

Процедурата за практическото изпитване е проста. Първо, всеки образец се почиства, изсушава и претегля на прецизен везни. След това се поставя в изпитвателната камера под сонотрода BS4d22 на ултразвуковия апарат UIP1000hdT, като разстоянието от 0,5 мм се настройва внимателно и повторяемо. Ултразвуковият апарат работи при зададена амплитуда и честота, като температурата на течността се контролира, за да се предотврати промяна на интензивността на кавитацията вследствие на загряване. След определен интервал на експозиция пробата се изважда, почиства, изсушава и се претегля отново. Тази последователност се повтаря при нарастващи, зависими от материала интервали на експозиция, докато се получи пълна крива на ерозията.
Първоначалното измерване е загубата на маса. За целите на инженерното сравнение тази загуба на маса се превръща в загуба на обем, като се използва плътността на материала. След това загубата на обем се разделя на площта на изложената повърхност, за да се определи средната дълбочина на ерозията. От кривата на дълбочината на ерозията изследователят може да изчисли характерни ерозионни параметри, като максимална скорост на ерозията, крайна скорост на ерозията и средна дълбочина на ерозията. Хиелшер 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 ерозия като функция на коригираните параметри за качество на покритието n. Отгряването на праха и съответно намалената му якост позволяват постигането на високо качество на покритието. Вложките показват повреди по повърхността, получени след 100 минути кавитационно изпитване.
Графики и проучване: ©Hauer и др., 2021 г.

Един важен извод от изследването на Хауер е, че скоростите на ерозия в началния етап могат да бъдат подвеждащи. Покритията, нанесени чрез термично и кинетично разпръскване, често показваха висока начална загуба на материал, последвана от по-ниска, по-стабилна скорост на ерозия. По тази причина Хауер и колегите му използваха крайната скорост на ерозия като по-представителен показател за дългосрочните експлоатационни характеристики на покритието. В своето 120-минутно сравнение крайната скорост на ерозия беше оценена главно въз основа на данните от втората половина на изпитването, след 60-тата минута, за да се отрази по-добре стабилизираното поведение.

Резултатите от изпитванията показват защо апаратът за контролирана вибрационна кавитация е ценен. Отлятата никел-алуминиева бронза достигна крайна скорост на ерозия от около 0,40 µm/h. Оптимизираната бронза, нанесена чрез топло разпръскване, достигна 0,57 µm/h, което е близо до референтната стойност за отлятата бронза. Оптимизирано покритие, нанесено чрез дъгово нанасяне върху корабостроителна стомана, достигна около 1,02 µm/h, докато оптимизирано HVOF покритие достигна около 1,74 µm/h. Дори когато тези покрития не се равняваха напълно на бронзата на лети пропелер, те значително надминаха корабостроителната стомана; проучването съобщава, че покритията, нанесени чрез дъгово и HVOF нанасяне, постигнаха съответно около 26 пъти и 16 пъти по-добра устойчивост на кавитация в сравнение със стоманата VL-A.

Използвайте соникатор като вибрационен апарат за вашите изпитвания за кавитационна ерозия

Практическото заключение е, че изпитването за кавитационна ерозия с ултразвуковия апарат UIP1000hdT като вибрационно устройство може да направи нещо повече от просто класифициране на материалите. То разкрива как процесът на нанасяне на покритието, микроструктурата, съдържанието на оксиди, порьозността, свързването на граничните слоеве и последващата обработка влияят върху реалното поведение при ерозия. Hauer и съавт. стигат до заключението, че HVOF и дъговото нанасяне могат да предложат добър компромис между производителност и цена за подобряване на повърхностите на стоманените рулеви плоскости, докато студеното и топлото нанасяне се предпочитат, когато се изисква устойчивост на кавитация, близка до тази на никел-алуминиевата бронза в масивно състояние.

За лабораториите и разработчиците на покрития ключът към възпроизводими резултати е строгият контрол върху параметрите на изпитването: амплитуда на сонотрода, честота, разстояние между сонотрода и пробата, температура на течността, химичен състав на течността, подготовка на пробата, интервали на претегляне и изчисляване на скоростта на ерозия. При определени тези условия, Hielscher UIP1000hdT предлага практичен и повторяем начин за превръщане на ултразвуковата кавитация в количествени данни за характеристиките на покритието.

Примерен работен лист за изпитване на кавитационна ерозия

 
Инструкции за изпитвания за кавитационна ерозия можете да намерите тук!

Устройство за изпитване на кавитационна ерозия съгласно ASTM G32

Устройствата за ултразвукова обработка UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT и UIP2000hdT са подходящи за изпитвания съгласно стандарта ASTM G32. Можем да доставим всяко от тези устройства с прецизен Протокол за измерване на амплитуда на механичната амплитуда на върха на сонотрода. Препоръчваме използването на някое от тези устройства със сонотрод BS4d22 (диаметър 22 мм) и стойка ST2.

ASTM G32 -16 15,9 мм сонотроде със сменяем накрайник

Проектиране, производство и консултиране – Качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и дизайн. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Тежките условия и взискателните условия се справят лесно с ултразвуковите апарати на Hielscher.

Hielscher Ultrasonics е сертифицирана по ISO компания и поставя специален акцент върху високопроизводителните ултразвукови уреди, отличаващи се с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати на Hielscher са съвместими с CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.

Литература / Препратки