Praktično testiranje kavitacijske erozije morskih bronzanih premaza

Testiranje erozije uzrokovane kavitacijom je najkorisnije kada povezuje kontrolisano laboratorijsko izlaganje sa stvarnim inženjerskim problemom. Praktičan primjer je evaluacija bronzanih premaza otpornih na kavitaciju za pomorske komponente poput kormila i propelera brodova. Ovi dijelovi rade u zonama gdje lokalne oscilacije pritiska mogu generirati parne mehuriće koji kolapsiraju blizu površine, stvarajući ponovljena udarna opterećenja visoke intenzitet. S vremenom, ovo proizvodi udubljenja, oštećenja uslijed zamora, propadanje premaza i gubitak materijala.

Test erozije uzrokovane kavitacijom bronzanih premaza

U studiji Hauera i saradnika, bronzani premazi proizvedeni hladnim prskanjem, toplim prskanjem, HVOF prskanjem i lukom su upoređivani sa livenim niklom, aluminij-bronzom i brodograditeljskim čelikom. Centralno pitanje bilo je jednostavno: koji proces premazivanja može proizvesti bronzanu površinu koja dovoljno dugo izdrži kavitaciju za pomorsku službu? Da bi odgovorili na to, istraživači su koristili test kavitacione erozije zasnovan na ASTM G32-16 sa vibracionim aparatom, uključujući Hielscher UIP1000hdT ultrazvučni vibratorni sistem kao testni sistem.

Precizna kontrola test uslova i automatsko snimanje podataka

Sonicator UIP1000hdT je dobro prilagođen za ovu vrstu testa jer pruža visokointenzivni, niskofrekventni ultrazvuk u opsegu koji se koristi za testiranje kavitacione erozije. Postavka za testiranje erozije kavitacije koristeći 1000-vatni sonikator radi na 20 kHz i omogućava precizno praćenje procesa, kontrolu amplitude, mjerenje temperature i automatsko protokoliranje testnih podataka. Ove funkcije su važne jer intenzitet kavitacije snažno zavisi od amplitude, temperature tečnosti, pritiska tečnosti, geometrije sonotrode i udaljenosti između sonotrode i uzorka.

(a) Test erozije usljed kavitacije prema ASTM G32-16 sa sonicatorom UIP1000hd (indirektna metoda). Svi parametri testa su nominalne vrijednosti; tolerancije su navedene u standardu.
(b) Shematske faze na krivulji erozije-vrijeme i karakteristični parametri u proceduri testa.
Grafika i studija: ©Hauer et al., 2021.

Ultrazvučni test erozije kavitacijom bronzanih premaza

Za primjer morske bronzane prevlake, ispitivanje je izvedeno u indirektnom ASTM G32 rasporedu. U ovoj konfiguraciji, uzorak nije pričvršćen za vibrirajući rog. Umjesto toga, ultrazvučna sonotroda stvara kavitaciju u destilovanoj vodi, a obloženi uzorak je fiksiran ispod sonotrode na definiranom razmaku. Hauer et al. koristio je razmak od 0,5 mm između uzorka i sonotrode, frekvenciju od 20 kHz i amplitudu od vrha do vrha od 50 µm. Testna tečnost je bila destilovana voda, držana na približno sobnoj temperaturi, oko 25 °C.

Priprema uzorka je ključni korak. Prije izlaganja kavitaciji, obložene površine su postepeno brušene i polirane do finog dijamantskog abraziva manjeg od 4 µm. Ovo smanjuje utjecaj labavo pričvršćenih čestica ili nepravilnosti na površini koje bi se inače odmah odvojile i iskrivile krivu erozije. Cilj nije da sloj izgleda dobro, već da se stvori ponovljiv početni uvjet tako da mjereni gubitak mase odražava otpornost na kavitaciju, a ne lošu pripremu površine.

Postupak ispitivanja erozije ultrazvučne kavitacije i njegovi rezultati

Postupak praktičnog testiranja je jednostavan. Najprije se svaki uzorak očisti, osuši i izmjeri na preciznoj vagi. Zatim se montira u ćeliju za testiranje ispod sonotrode BS4d22 sonikatora UIP1000hdT sa razmakom od 0,5 mm koji je pažljivo i uzastopno podešen. Sonikator radi na definisanoj amplitudi i frekvenciji, dok se temperatura tečnosti kontroliše kako bi se sprečilo zagrevanje zbog promene intenziteta kavitacije. Nakon određenog intervala izlaganja, uzorak se uklanja, čisti, suši i ponovo vaga. Ova sekvenca se ponavlja u rastućim intervalima ekspozicije zavisnim od materijala sve dok se ne dobije potpuna krivulja erozije.
Sirovo mjerenje je gubitak mase. Za inženjersku usporedbu, ovaj gubitak mase se pretvara u gubitak zapremine koristeći gustoću materijala. Zatim se gubitak zapremine dijeli sa izloženom površinom da bi se odredila prosječna dubina erozije. Iz krivulje dubine erozije, istraživač može izračunati karakteristične parametre erozije poput maksimalne stope erozije, terminalne stope erozije i prosječne dubine erozije. Hielscher također napominje da se erozija može izvještavati kao masa, zapremina ili dubina penetracije po vremenu ili po isporučenoj ultrazvučnoj energiji, ovisno o odabranom protokolu.

Srednja dubina erozije kao funkcija prilagođenih parametara kvaliteta premaza n. Sušenje prahom i time smanjena čvrstoća praha omogućavaju postizanje visokih kvaliteta premaza. Umetci prikazuju oštećenja površine nastala nakon vremena testiranja kavitacije od 100 minuta.
Grafikoni i studija: ©Hauer i dr., 2021.

Jedna važna lekcija iz Hauerove studije je da rane stope erozije mogu biti pogrešne. Termički i kinetički raspršeni premazi često su pokazivali veliki početni gubitak materijala, praćen nižom, stabilnijom stopom erozije. Iz tog razloga, Hauer et al. koristio je brzinu terminalne erozije kao reprezentativniji pokazatelj dugotrajnog učinka premaza. U njihovom 120-minutnom poređenju, terminalna stopa erozije procijenjena je uglavnom iz druge polovine testa, preko 60 minuta, kako bi se bolje uhvatilo stabilizirano ponašanje.

Rezultati testa pokazuju zašto je kontrolisana vibraciona kavitaciona oprema vrijedna. Liveni bronznik od nikla i aluminijuma postigao je terminalnu stopu erozije od otprilike 0,40 µm/h. Optimizovani toplo-prskani bronznik dosegao je 0,57 µm/h, blizu livenog referentnog materijala. Optimizovani sloj prskan lukom na brodograđevinskom čeliku dostigao je otprilike 1,02 µm/h, dok je optimizovani HVOF sloj dostigao oko 1,74 µm/h. Čak i kada ovi slojevi nisu u potpunosti odgovarali livenom bronzniku propelera, drastično su nadmašili brodograđevinski čelik; studija navodi da su slojevi prskani lukom i HVOF-om postigli otprilike 26 puta, odnosno 16 puta bolju otpornost na kavitaciju u odnosu na čelik VL-A.

Koristite sonikator kao vibracionu opremu za vaše testove erozije kavitacije

Praktični zaključak je da ispitivanje erozije kavitacije sa sonikatorom UIP1000hdT kao vibracionim aparatom može učiniti više od rangiranja materijala. Otkriva kako proces nanošenja premaza, mikrostruktura, sadržaj oksida, poroznost, spajanje međusloja i naknadna obrada utiču na stvarno ponašanje erozije. Hauer et al. zaključio je da HVOF i arc prskanje mogu ponuditi snažan kompromis između performansi i troškova za poboljšanje čeličnih površina kormila, dok su hladno i toplo prskanje poželjnije kada je potrebna otpornost na kavitaciju blizu masivnog nikl aluminij bronze.

Za laboratorije i razvijače premaza, ključ za ponovljive rezultate je stroga kontrola testnih parametara: amplituda sonotrode, frekvencija, udaljenost sonotrode od uzorka, temperatura tečnosti, hemija tečnosti, priprema uzorka, intervali vaganja i proračun stope erozije. Sa definisanim ovim uslovima, Hielscher UIP1000hdT pruža praktičan i ponovljiv način da se ultrazvučna kavitacija pretvori u kvantitativne podatke o performansama premaza.

Uzorak radnog lista za ispitivanje erozije kavitacije

 
Upute za testove kavitacijske erozije možete pronaći ovdje!

ASTM G32 Postavljanje testova kavitacijske erozije

Sonikatori UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT i UIP2000hdT su pogodni za ASTM G32 testiranje. Svaku od ovih jedinica možemo isporučiti sa preciznom protokol mjerenja amplitude mehaničke amplitude na vrhu sonotrode. Preporučujemo korištenje bilo kojeg od ovih uređaja sa sonotrodom BS4d22 (prečnika 22mm) i stalkom ST2.

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

Dizajn, proizvodnja i konsalting – Kvaliteta Made in Germany

Hielscher ultrasonicatori su poznati po najvišoj kvaliteti i standardima dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućavaju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih aparata u industrijske objekte. Hielscher ultrasonikatori lako se nose sa teškim uslovima i zahtevnim okruženjima.

Hielscher Ultrasonics je ISO sertifikovana kompanija i stavlja poseban naglasak na ultrazvučne aparate visokih performansi koji se odlikuju najsavremenijom tehnologijom i lakoćom korišćenja. Naravno, Hielscher ultrasonikatori su usklađeni sa CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoH.

Literatura / Reference