Praktično ispitivanje kavitacijske erozije morskih bronzanih prevlaka

Ispitivanje kavitacijske erozije najkorisnije je kada kontrolirano laboratorijsko izlaganje povezuje sa stvarnim inženjerskim problemom. Praktičan primjer je evaluacija bronzanih prevlaka otpornih na kavitaciju za pomorske komponente kao što su brodska kormila i propeleri. Ovi dijelovi rade u zonama u kojima lokalne fluktuacije pritiska mogu stvarati mjehuriće pare koji kolabiraju blizu površine, uzrokujući ponavljana udarna opterećenja visokog intenziteta. S vremenom to dovodi do pojave jamica, zamornog oštećenja, otkaza prevlake i gubitka materijala.

Ispitivanje kavitacijske erozije bronzanih prevlaka

U studiji Hauer et al. bronzane prevlake proizvedene hladnim naštrcavanjem, toplim naštrcavanjem, HVOF naštrcavanjem i elektrolučnim naštrcavanjem uspoređene su s lijevanom nikal-aluminijskom bronzom i brodograđevnim čelikom. Središnje pitanje bilo je jednostavno: kojim se postupkom nanošenja prevlake može dobiti bronzana površina koja podnosi izlaganje kavitaciji dovoljno dugo za upotrebu u moru? Da bi na njega odgovorili, istraživači su koristili ispitivanje kavitacijske erozije prema ASTM G32-16 s vibracijskim uređajem, uključujući Hielscher UIP1000hdT ultrazvučni vibracijski sistem kao ispitni sistem.

Precizna kontrola uslova ispitivanja i automatsko bilježenje podataka

Sonikator UIP1000hdT veoma je pogodan za ovu vrstu ispitivanja jer isporučuje ultrazvuk visokog intenziteta i niske frekvencije u rasponu koji se koristi za ispitivanje kavitacijske erozije. Postavka za ispitivanje kavitacijske erozije sa sonikatorom od 1000 vati radi na 20 kHz i omogućava precizno praćenje procesa, kontrolu amplitude, mjerenje temperature i automatsko protokoliranje podataka ispitivanja. Ove funkcije su važne jer intenzitet kavitacije snažno zavisi od amplitude, temperature tekućine, pritiska tekućine, geometrije sonotrode i udaljenosti između sonotrode i uzorka.

(a) Ispitivanje kavitacijske erozije prema ASTM G32-16 sa sonikatorom UIP1000hd (indirektna metoda). Svi parametri ispitivanja su nominalne vrijednosti; tolerancije su navedene u standardu.
(b) Shematske faze u krivulji erozija–vrijeme i karakteristični parametri u postupku ispitivanja.
Grafika i studija: ©Hauer et al., 2021.

Ultrazvučno ispitivanje kavitacijske erozije bronzanih prevlaka

Za primjer morske bronzane prevlake ispitivanje je provedeno u indirektnom rasporedu prema ASTM G32. U ovoj konfiguraciji uzorak nije pričvršćen na vibrirajući rog. Umjesto toga, ultrazvučna sonotroda stvara kavitaciju u destiliranoj vodi, a uzorak s prevlakom učvršćen je ispod sonotrode na definiranom razmaku. Hauer et al. koristili su udaljenost od 0,5 mm između uzorka i sonotrode, frekvenciju od 20 kHz i amplitudu od vrha do vrha od 50 µm. Ispitna tekućina bila je destilirana voda, držana na približno sobnoj temperaturi, oko 25 °C.

Priprema uzorka je ključan korak. Prije izlaganja kavitaciji prevučene površine su postepeno brušene i polirane do finog dijamantnog abraziva ispod 4 µm. Time se smanjuje utjecaj slabo vezanih čestica ili nepravilnosti površine koje bi se u suprotnom mogle odmah odvojiti i iskriviti krivulju erozije. Cilj nije da prevlaka dobro izgleda, nego da se stvori ponovljivo početno stanje kako bi izmjereni gubitak mase odražavao otpornost na kavitaciju, a ne lošu pripremu površine.

Postupak ultrazvučnog ispitivanja kavitacijske erozije i njegovi rezultati

Praktičan postupak ispitivanja je jednostavan. Prvo se svaki uzorak očisti, osuši i izvaže na preciznoj vagi. Zatim se montira u ispitnu ćeliju ispod sonotrode BS4d22 sonikatora UIP1000hdT, s razmakom od 0,5 mm koji se postavlja pažljivo i ponovljivo. Sonikator radi pri definiranoj amplitudi i frekvenciji, dok se temperatura tekućine kontrolira kako zagrijavanje ne bi mijenjalo intenzitet kavitacije. Nakon definiranog intervala izlaganja uzorak se uklanja, čisti, suši i ponovo važe. Ovaj slijed se ponavlja tokom sve dužih intervala izlaganja, koji zavise od materijala, sve dok se ne dobije potpuna krivulja erozije.
Sirovo mjerenje je gubitak mase. Za inženjersko poređenje ovaj gubitak mase se pretvara u gubitak volumena pomoću gustoće materijala. Gubitak volumena se zatim dijeli s izloženom površinom kako bi se odredila srednja dubina erozije. Iz krivulje dubine erozije istraživač može izračunati karakteristične parametre erozije kao što su maksimalna brzina erozije, završna brzina erozije i srednja dubina erozije. Hielscher također navodi da se erozija može iskazati kao masa, volumen ili dubina prodiranja po vremenu ili po isporučenoj ultrazvučnoj energiji, ovisno o odabranom protokolu.

Srednje dubine erozije u funkciji prilagođenih parametara kvaliteta prevlake n. Žarenje praha, a time i smanjena čvrstoća praha, omogućava postizanje visokog kvaliteta prevlaka. Umeci prikazuju oštećenje površine dobiveno nakon vremena kavitacijskog ispitivanja od 100min.
Grafikoni i studija: ©Hauer et al., 2021.

Jedna važna pouka iz studije Hauer et al. jeste da rane brzine erozije mogu zavarati. Termički i kinetički naštrcane prevlake često su pokazivale visok početni gubitak materijala, nakon čega je slijedila niža, stabilnija brzina erozije. Zbog toga su Hauer et al. koristili završnu brzinu erozije kao reprezentativniji pokazatelj dugoročnih performansi prevlake. U njihovom 120-minutnom poređenju završna brzina erozije procjenjivana je uglavnom iz druge polovine ispitivanja, nakon 60 minuta, kako bi se bolje obuhvatilo stabilizirano ponašanje.

Rezultati ispitivanja pokazuju zašto je kontrolirani vibracijski kavitacijski uređaj vrijedan. Lijevana nikal-aluminijska bronza postigla je završnu brzinu erozije od oko 0,40 µm/h. Optimizirana toplo naštrcana bronza dosegla je 0,57 µm/h, blizu lijevane reference. Optimizirana elektrolučno naštrcana prevlaka na brodograđevnom čeliku dosegla je oko 1,02 µm/h, dok je optimizirana HVOF prevlaka dosegla oko 1,74 µm/h. Čak i kada ove prevlake nisu potpuno dosegle lijevanu propelersku bronzu, drastično su nadmašile brodograđevni čelik; studija navodi da su elektrolučno naštrcane i HVOF naštrcane prevlake postigle oko 26 puta, odnosno 16 puta bolju otpornost na kavitaciju od VL-A čelika.

Koristite sonikator kao vibracijski uređaj za svoja ispitivanja kavitacijske erozije

Praktičan zaključak je da ispitivanje kavitacijske erozije sa sonikatorom UIP1000hdT kao vibracijskim uređajem može više od rangiranja materijala. Ono otkriva kako postupak nanošenja prevlake, mikrostruktura, sadržaj oksida, poroznost, vezivanje na međupovršini i naknadna obrada utječu na stvarno ponašanje pri eroziji. Hauer et al. zaključili su da HVOF i elektrolučno naštrcavanje mogu ponuditi snažan kompromis između performansi i troškova za poboljšanje površina čeličnih kormila, dok se hladno i toplo naštrcavanje preferiraju kada je potrebna otpornost na kavitaciju bliska masivnoj nikal-aluminijskoj bronzi.

Za laboratorije i razvojne inženjere prevlaka ključ ponovljivih rezultata je stroga kontrola parametara ispitivanja: amplitude sonotrode, frekvencije, udaljenosti između sonotrode i uzorka, temperature tekućine, hemijskog sastava tekućine, pripreme uzorka, intervala vaganja i proračuna brzine erozije. Kada su ovi uslovi definirani, Hielscher UIP1000hdT pruža praktičan i ponovljiv način za prevođenje ultrazvučne kavitacije u kvantitativne podatke o performansama prevlake.

Primjer radnog lista za ispitivanje kavitacijske erozije

 
Upute za ispitivanja kavitacijske erozije možete pronaći ovdje!

ASTM G32 postavka za ispitivanje kavitacijske erozije

Sonikatori UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT i UIP2000hdT pogodni su za ispitivanje prema ASTM G32. Svaki od ovih uređaja možemo isporučiti s preciznim protokolom mjerenja mehaničke amplitude na vrhu sonotrode. Preporučujemo korištenje bilo kojeg od ovih uređaja sa sonotrodom BS4d22 (promjera 22mm) i stalkom ST2.

ASTM G32 -16 sonotroda od 15,9mm sa zamjenjivim vrhom

Dizajn, proizvodnja i savjetovanje – kvalitet proizveden u Njemačkoj

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišem kvalitetu i standardima dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućavaju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijske pogone. Hielscher ultrazvučni uređaji lako podnose teške uslove i zahtjevno okruženje.

Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana kompanija i posebnu pažnju posvećuje visokoučinkovitim ultrazvučnim uređajima koji sadrže najsuvremeniju tehnologiju i jednostavnost korištenja. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji su CE usklađeni i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Literatura / reference

• 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.