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

In the study by Hauer et al., bronze coatings produced by cold spraying, warm spraying, HVOF spraying, and arc spraying were compared against cast nickel aluminum bronze and shipbuilding steel. The central question was simple: which coating process can produce a bronze surface that survives cavitation exposure long enough for marine service? To answer it, the researchers used a cavitation erosion test based on ASTM G32-16 with a vibratory apparatus, including a Hielscher UIP1000hdT ultrasonic vibratory system as test system.

Precise Control of Test Conditions and Automated Data Recording

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

For the marine bronze coating example, the test was performed in the indirect ASTM G32 arrangement. In this configuration, the specimen is not attached to the vibrating horn. Instead, the ultrasonic sonotrode generates cavitation in distilled water, and the coated specimen is fixed beneath the sonotrode at a defined gap. Hauer et al. used a 0.5 mm distance between sample and sonotrode, a frequency of 20 kHz, and a peak-to-peak amplitude of 50 µm. The test liquid was distilled water, held at approximately room temperature, around 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

The practical test procedure is straightforward. First, each specimen is cleaned, dried, and weighed on a precision balance. It is then mounted in the test cell beneath the sonotrode BS4d22 of the sonicator UIP1000hdT with the 0.5 mm gap set carefully and repeatably. The sonicator is operated at the defined amplitude and frequency, while the liquid temperature is controlled to prevent heating from changing cavitation intensity. After a defined exposure interval, the specimen is removed, cleaned, dried, and weighed again. This sequence is repeated over increasing, material-dependent exposure intervals until a complete erosion curve is obtained.
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.

One important lesson from the Hauer study is that early erosion rates can be misleading. Thermally and kinetically sprayed coatings often showed high initial material loss, followed by a lower, more stable erosion rate. For this reason, Hauer et al. used terminal erosion rate as a more representative indicator of long-term coating performance. In their 120-minute comparison, the terminal erosion rate was evaluated mainly from the second half of the test, above 60 minutes, to better capture the stabilized behavior.

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

The practical conclusion is that cavitation erosion testing with the UIP1000hdT sonicator as vibratory apparatus can do more than rank materials. It reveals how coating process, microstructure, oxide content, porosity, interface bonding, and post-treatment affect real erosion behavior. Hauer et al. concluded that HVOF and arc spraying can offer a strong performance-cost compromise for improving steel rudder surfaces, while cold and warm spraying are preferred when cavitation resistance close to bulk nickel aluminum bronze is required.

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