Изпитване на кавитационна ерозия

Кавитационна ерозия възниква върху повърхности на материали, изложени на интензивна ултразвукова кавитация. Изпитването на кавитационна ерозия е бърз метод за измерване на устойчивостта на материали или покрития на ерозия вследствие на интензивни напрежения и други ерозионни фактори. То осигурява лесно количествено измерване за контрол на качеството и е полезно при изследване на материали или разработване на състави на покрития.

Защо да използвате изпитване на кавитационна ерозия?

Продължаващата ерозия или корозия може да наложи редовна подмяна на детайли или обновяване на повърхностните покрития. Ерозията на повърхностите на материалите вследствие на механични или химични въздействия е бавен процес, водещ до постепенното разрушаване на тези повърхности. Поради това оценката на ерозионната устойчивост на материала или на ерозионното въздействие на течности и суспензии може да бъде много продължителен процес.
Изпитването на ултразвукова кавитационна ерозия подлага повърхността на материала на контролирани, интензивни, повтарящи се цикли на натоварване. Това води до значителна ерозия на повърхността на материала за кратко време. Можете бързо да измерите ерозионната устойчивост за редовен контрол на качеството в производството, за оценка на входящите материали или при научноизследователска и развойна дейност.
Стандартните приложения включват металургични изпитвания, изпитване на състави на покрития, изпитване на нанасянето на покрития или оценка на инхибитори на ерозията в течности.

Защо кавитацията причинява повърхностна ерозия?

Ултразвукови устройства като UP400St (400 вата, 24kHz) или UIP1000hdT (1000 вата, 20kHz) предават ултразвукови трептения в течности, например вода. Бързото възвратно-постъпателно движение при трептенията в течността образува кавитационни мехурчета и предизвиква тяхното свиване и колапс. При колапса на мехурчетата в течността и върху изложените на въздействието повърхности на материалите възникват високи локални механични напрежения. Течни струи със скорост до 1000km/h и локални налягания до 1000atm водят до бърза умора на повърхността на материала. Това може да отстрани оксидни или пасивиращи слоеве, покрития или отлагания. То може да причини образуване на язви в твърди материали като стомана, титан, алуминий, пластмаса или стъкло. Следователно изпитването на кавитационна ерозия е разрушителен метод за изпитване.

Как работи изпитването на кавитационна ерозия?

Кавитационната ерозия на повърхностите на материалите причинява постепенна загуба на материал. Можете лесно да измерите загубата на материал, като го претеглите на прецизна везна преди и след определено излагане на кавитационна ерозия. Типичната промяна в масата при изпитване на кавитационна ерозия е между 1 и 30mg. За допълнителна стандартизация можете да изчислите загубата на обем, като разделите загубата на маса на плътността на материала. Средната дълбочина на проникване (MDP) се изчислява, като загубата на обем се раздели на площта на повърхността на изпитвания образец. Като алтернатива можете да измерите дълбочината на язвите или изместения обем. Можете да използвате микроскопски анализ, за да получите допълнителна качествена информация за характера на ерозията.
Когато използвате ултразвуково устройство Hielscher за изпитване на кавитационна ерозия, можете предварително да зададете температурния диапазон и диапазона на налягането, в които искате да работите. Можете да регулирате амплитудата на ултразвуковата обработка. Всички параметри се наблюдават, показват и записват на SD карта. Не е необходимо да инсталирате специализиран фирмен софтуер. Ако желаете, можете да управлявате и наблюдавате ултразвуковия процес от обичайния си уеб браузър, като свържете ултразвуковото устройство към компютъра си чрез Ethernet кабела (включен в комплекта).

Какво представлява стандартният метод ASTM G32 за кавитационна ерозия с използване на вибрационен апарат?

Стандартът ASTM G32-16 описва стандартизиран метод за кавитационна ерозия. Той определя просто, контролируемо и възпроизводимо изпитване за количествено определяне и сравняване на устойчивостта на различни материали на кавитационна ерозия. Спецификациите ATSM G32-16 са полезни за сравняване на Вашите резултати с тези от други публикации. Ако искате да въведете изпитване на кавитационна ерозия в контрола на качеството, препоръчваме да адаптирате протокола за изпитване на кавитационна ерозия към Вашите конкретни изисквания. Ще се радваме да Ви помогнем при разработването на индивидуален протокол за изпитване на кавитационна ерозия. За повече информация относно изпитването на кавитационна ерозия съгласно ASTM-G32, моля, щракнете тук!

Защо да използвам ограничение по енергия вместо ограничение по време?

Много публикации и протоколи за изпитване на ерозия задават време на излагане на кавитация. При ултразвуковите устройства Hielscher можете предварително да зададете време за ултразвукова обработка и системата ще спре след изтичането му. След това можете да изчислите получената скорост на кавитационна ерозия в mm/hr или mm3/hr. Ограничение по време е приемливо само ако не променяте никакви параметри, като ниво на течността, амплитуда, налягане, температура, състав на течността или разстояние между сонотрода и повърхността на материала. Ако някой от тези параметри се промени, ще се променят и мощността на ултразвуковата обработка, и интензивността на кавитацията. Важно е действителната нетна мощност, предавана на течността, да не се колебае през цялото времетраене на изпитването.
При ултразвуковите устройства Hielscher можете да зададете ограничение по енергия. В този случай ултразвуковото устройство ще спре, след като предаде зададената ултразвукова енергия. Устройството Hielscher ще показва и записва параметри като действителна нетна мощност, амплитуда, налягане и температура на течността. При използване на ограничение по енергия колебанията в мощността или преднамерените промени в параметрите ще бъдат компенсирани. След това можете да посочите получената скорост на кавитационна ерозия в mm/kWhr, mm3/kWhr или mg/kWhr.
Ако претегляте образеца между интервалите на кавитационна ерозия, можете да създадете крива, показваща загубата на маса за отделните интервали (скоростта на загуба на маса във всеки енергиен интервал) спрямо натрупаната енергия.
За по-прецизни резултати устройството може да извърши автоматично калибриране (30 секунди). При него се измерва мощността за всички настройки на амплитудата във въздух при атмосферно налягане. Устройството Hielscher използва тези калибровъчни данни, за да предоставя много прецизни стойности на нетната мощност в реално време.

Налягане на течността по време на ултразвуковата обработка

Много стандартни протоколи за изпитване на кавитационна ерозия използват ултразвукова кавитация при атмосферно налягане. Налягането на течността е вторият по важност фактор за интензивността на ултразвуковата обработка. Увеличение на атмосферното налягане с 10% ще увеличи интензивността на ултразвуковата обработка с около 10%. По-интензивната кавитация намалява времето, необходимо за постигане на определена степен на кавитационна ерозия. Често изпитването на един образец може да отнеме от 15 до 120 минути. Ако имате много образци за изпитване, работата при по-високи налягания може значително да съкрати времето за всяко изпитване. Изпитванията при 5 barg (73psig) изискват приблизително 80% по-малко време за всяко изпитване.
Hielscher доставя херметични изпитвателни клетки за работа под налягане с цифров датчик за налягане за изпитване на кавитационна ерозия. Използвайки херметична клетка за работа под налягане, можете да контролирате и поддържате налягането по време на всяко изпитване. Ултразвуковият генератор постоянно следи датчика за налягане и записва действителното налягане в съвместим с Excel CSV файл на SD карта (включена в комплекта). Hielscher доставя регулатори на налягането за задаване и поддържане на работното налягане.
Стандартно херметичните изпитвателни клетки Hielscher за изпитване на кавитационна ерозия са предназначени за налягане до 5barg (73psig). По-високи налягания до 300barg (4350psig) се предлагат при поискване.

Ултразвукова честота

Обикновено изпитването на кавитационна ерозия използва нискочестотен ултразвук с висока интензивност в диапазона 18–30kHz. В този диапазон промяната на честотата има много ограничено влияние върху интензивността на кавитацията. Всички устройства Hielscher работят с постоянна честота.

Разстояние от сонотрода

Материалът за изпитване може да бъде монтиран към сонотрода или под него. Можете да изработите образец от материала с резба и да го монтирате към края на ултразвуковия сонотрод. В този случай образецът трепти със зададената ултразвукова амплитуда и създава кавитация върху повърхността си. Това изисква прецизна механична обработка и не всички материали са подходящи за този вариант.
Като алтернатива можете да закрепите детайл или образец непосредствено под титанов сонотрод. В този случай титановият сонотрод създава кавитацията, а повърхността на материала е изложена на нейното въздействие. Това е по-удобният вариант, тъй като можете да поставяте образци с различни размери или форми в изпитвателната клетка. Ако използвате по-голям сонотрод, например сонотрод с диаметър 50mm или 80mm, можете да подложите няколко детайла на кавитационна ерозия едновременно. Това е много полезно, когато трябва да изпитвате много детайли на ден, например за контрол на качеството.
И в двата случая разстоянието между ултразвуковия сонотрод и повърхността на материала до него е много важно. Обикновено кавитационната ерозия е по-бърза при по-малко разстояние. Типичните разстояния варират от 0,2 до 15mm. За убедителни резултати трябва да използвате едно и също разстояние при всички изпитвания.

Температура на течността

По-топлата течност води до по-ниска интензивност на ултразвуковата кавитация. Въвеждането на енергия от механични трептения в течността ще доведе до нейното загряване. За да се поддържа постоянна температура по време на всяко изпитване на кавитационна ерозия, течността трябва да се охлажда. Hielscher доставя съдове с риза и херметични клетки с риза за работа под налягане. Като алтернатива можете да използвате охлаждаща серпентина в лабораторна чаша или да поставите чашата в ледена баня. Охлаждаща течност, която протича през ризата или през охлаждащата серпентина, отвежда топлината от течността.
Ултразвуковите устройства Hielscher, като UP400St или UIP1000hdT, се доставят с температурна сонда PT100 (включена в комплекта). Ултразвуковият генератор непрекъснато следи действителната температура на течността и я записва в съвместим с Excel CSV файл на SD карта (включена в комплекта). Можете да настроите генератора да прекъсва временно изпитването на кавитационна ерозия, ако температурата на течността се отклони твърде много от зададената стойност, например поради недостатъчен охлаждащ капацитет. Генераторът може автоматично да възобнови ултразвуковата обработка, когато течността отново достигне зададената температура.

Кавитираща течност

Обикновено при изпитване на кавитационна ерозия се използва вода, например дестилирана вода. Различните течности проявяват различни кавитационни характеристики. Ако водата действа корозивно върху Вашия материал, може да поискате да изпитате алтернативни течности, като силиконови масла с нисък вискозитет или органични разтворители, за да елиминирате или намалите корозионния фактор. Като алтернатива можете да направите течността по-корозивна, например чрез промяна на pH, или по-абразивна чрез добавяне на абразивни частици. Можете да използвате изпитването на кавитационна ерозия, за да оцените ерозионното и корозионното действие на течности, като сондажни разтвори, или да оцените ефективността на инхибитори на корозията или ерозията.

Механична обработка

Когато изработвате детайл или образец, обработката с ЦПУ, шлифоването или полирането причиняват увреждания на зърнестата структура близо до повърхността на материала. Това намалява ерозионната устойчивост.

Пасивиращи/оксидни слоеве

Много често ерозията и корозията протичат едновременно. Водата, например дестилирана, деминерализирана или дейонизирана вода, може да действа корозивно върху много материали. Ултразвуковата кавитация благоприятства корозията. Пасивиращите слоеве, например при анодизиран алуминий, ще увеличат устойчивостта на повърхността на материала на ерозия и корозия.

Какви ограничения има изпитването на кавитационна ерозия?

При някои еластомери може да е необходимо излагане на много интензивна кавитация, за да се прояви изобщо кавитационна ерозия. В този случай ултразвуковата обработка без клетка под налягане може да не покаже никакъв измерим ефект.