Praktické testování kavitační eroze námořních bronzových povlaků

Testování kavitační eroze je nejužitečnější tehdy, když propojuje řízenou laboratorní expozici se skutečným inženýrským problémem. Praktickým příkladem je hodnocení bronzových povlaků odolných vůči kavitaci pro námořní komponenty, jako jsou lodní kormidla a lodní šrouby. Tyto části pracují v zónách, kde místní kolísání tlaku může vytvářet parní bubliny, které kolabují v blízkosti povrchu a vyvolávají opakovaná vysoce intenzivní rázová zatížení. Postupem času to vede ke vzniku důlkové koroze (pittingu), únavovému poškození, selhání povlaku a úbytku materiálu.

Test kavitační eroze bronzových povlaků

Ve studii Hauera a kol. byly bronzové povlaky vytvořené studeným nástřikem, teplým nástřikem, nástřikem HVOF a obloukovým nástřikem porovnány s litým niklhliníkovým bronzem a ocelí pro stavbu lodí. Ústřední otázka byla jednoduchá: který proces povlakování dokáže vytvořit bronzový povrch, jenž odolá kavitačnímu namáhání dostatečně dlouho pro námořní provoz? Aby na ni výzkumníci odpověděli, použili test kavitační eroze založený na normě ASTM G32-16 s vibračním zařízením, včetně ultrazvukového vibračního systému Hielscher UIP1000hdT jako zkušebního systému.

Přesné řízení zkušebních podmínek a automatický záznam dat

Sonikátor UIP1000hdT je pro tento typ testu velmi vhodný, protože poskytuje vysoce intenzivní nízkofrekvenční ultrazvuk v rozsahu používaném pro testování kavitační eroze. Sestava pro test kavitační eroze s 1000wattovým sonikátorem pracuje při 20 kHz a umožňuje přesné monitorování procesu, řízení amplitudy, měření teploty a automatické protokolování zkušebních dat. Tyto funkce jsou důležité, protože intenzita kavitace silně závisí na amplitudě, teplotě kapaliny, tlaku kapaliny, geometrii sonotrody a vzdálenosti mezi sonotrodou a vzorkem.

(a) Test kavitační eroze podle ASTM G32-16 se sonikátorem UIP1000hd (nepřímá metoda). Všechny zkušební parametry jsou nominální hodnoty; tolerance jsou uvedeny v normě.
(b) Schematické fáze křivky eroze v závislosti na čase a charakteristické parametry zkušebního postupu.
Grafika a studie: ©Hauer et al., 2021.

Ultrazvukový test kavitační eroze bronzových povlaků

V příkladu s námořním bronzovým povlakem byl test proveden v nepřímém uspořádání podle ASTM G32. V této konfiguraci není vzorek připevněn k vibrující sonotrodě. Místo toho ultrazvuková sonotroda vytváří kavitaci v destilované vodě a povlakovaný vzorek je upevněn pod sonotrodou s definovanou mezerou. Hauer a kol. použili vzdálenost 0,5 mm mezi vzorkem a sonotrodou, frekvenci 20 kHz a amplitudu špička-špička 50 µm. Zkušební kapalinou byla destilovaná voda udržovaná přibližně na pokojové teplotě, kolem 25 °C.

Příprava vzorku je kritickým krokem. Před kavitační expozicí byly povlakované povrchy postupně broušeny a leštěny až po jemné diamantové brusivo pod 4 µm. Tím se snižuje vliv volně ulpívajících částic nebo povrchových nerovností, které by se jinak mohly okamžitě uvolnit a zkreslit erozní křivku. Cílem není, aby povlak dobře vypadal, ale vytvořit reprodukovatelný výchozí stav, aby naměřený úbytek hmotnosti odrážel odolnost vůči kavitaci, a nikoli nedostatečnou přípravu povrchu.

Postup ultrazvukového testování kavitační eroze a jeho výsledky

Praktický zkušební postup je jednoduchý. Nejprve se každý vzorek očistí, vysuší a zváží na přesných vahách. Poté se upevní do zkušební cely pod sonotrodu BS4d22 sonikátoru UIP1000hdT, přičemž mezera 0,5 mm se nastaví pečlivě a opakovatelně. Sonikátor pracuje s definovanou amplitudou a frekvencí, zatímco teplota kapaliny je regulována, aby ohřev neměnil intenzitu kavitace. Po definovaném intervalu expozice se vzorek vyjme, očistí, vysuší a znovu zváží. Tento postup se opakuje v rostoucích intervalech expozice závislých na materiálu, dokud není získána úplná erozní křivka.
Primární naměřenou hodnotou je úbytek hmotnosti. Pro inženýrské srovnání se tento úbytek hmotnosti přepočítá na úbytek objemu pomocí hustoty materiálu. Úbytek objemu se pak vydělí exponovanou plochou povrchu, čímž se určí střední hloubka eroze. Z křivky hloubky eroze může výzkumník vypočítat charakteristické erozní parametry, jako je maximální rychlost eroze, konečná rychlost eroze a střední hloubka eroze. Hielscher rovněž uvádí, že erozi lze v závislosti na zvoleném protokolu vyjádřit jako hmotnost, objem nebo hloubku průniku za jednotku času nebo na jednotku dodané ultrazvukové energie.

Střední hloubky eroze v závislosti na upravených parametrech kvality povlaku n. Žíhání prášku, a tím snížená pevnost prášku, umožňuje dosáhnout vysoké kvality povlaků. Vložené snímky ukazují poškození povrchu po době kavitačního testu 100min.
Grafy a studie: ©Hauer et al., 2021.

Jedním z důležitých poznatků z Hauerovy studie je, že počáteční rychlosti eroze mohou být zavádějící. Termicky a kineticky stříkané povlaky často vykazovaly vysoký počáteční úbytek materiálu, po němž následovala nižší, stabilnější rychlost eroze. Z tohoto důvodu použili Hauer a kol. konečnou rychlost eroze jako reprezentativnější ukazatel dlouhodobé výkonnosti povlaku. Při jejich 120minutovém srovnání byla konečná rychlost eroze vyhodnocována převážně z druhé poloviny testu, nad 60 minut, aby se lépe zachytilo ustálené chování.

Výsledky testů ukazují, proč je řízené vibrační kavitační zařízení cenné. Litý niklhliníkový bronz dosáhl konečné rychlosti eroze přibližně 0,40 µm/h. Optimalizovaný teple stříkaný bronz dosáhl 0,57 µm/h, což se blíží litému referenčnímu materiálu. Optimalizovaný obloukově stříkaný povlak na oceli pro stavbu lodí dosáhl přibližně 1,02 µm/h, zatímco optimalizovaný povlak HVOF dosáhl přibližně 1,74 µm/h. I když tyto povlaky zcela nedosáhly úrovně litého bronzu pro lodní šrouby, výrazně předčily ocel pro stavbu lodí; studie uvádí, že obloukově stříkané povlaky a povlaky stříkané HVOF dosáhly přibližně 26krát, resp. 16krát lepší odolnosti vůči kavitaci než ocel VL-A.

Použijte sonikátor jako vibrační zařízení pro své testy kavitační eroze

Praktickým závěrem je, že testování kavitační eroze se sonikátorem UIP1000hdT jako vibračním zařízením dokáže víc než jen seřadit materiály. Odhaluje, jak proces povlakování, mikrostruktura, obsah oxidů, pórovitost, vazba na rozhraní a následné zpracování ovlivňují skutečné erozní chování. Hauer a kol. dospěli k závěru, že nástřik HVOF a obloukový nástřik mohou nabídnout výhodný kompromis mezi výkonem a náklady pro zlepšení povrchů ocelových kormidel, zatímco studený a teplý nástřik jsou preferovány tam, kde je vyžadována odolnost vůči kavitaci blízká kompaktnímu niklhliníkovému bronzu.

Pro laboratoře a vývojáře povlaků je klíčem k reprodukovatelným výsledkům přísná kontrola zkušebních parametrů: amplitudy sonotrody, frekvence, vzdálenosti mezi sonotrodou a vzorkem, teploty kapaliny, chemického složení kapaliny, přípravy vzorků, intervalů vážení a výpočtu rychlosti eroze. Při takto definovaných podmínkách poskytuje Hielscher UIP1000hdT praktický a opakovatelný způsob, jak převést ultrazvukovou kavitaci na kvantitativní data o výkonnosti povlaků.

Vzorový pracovní list pro testování kavitační eroze

 
Návod k testům kavitační eroze najdete zde!

Sestava pro test kavitační eroze podle ASTM G32

Sonikátory UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT a UIP2000hdT jsou vhodné pro testování podle ASTM G32. Ke každému z těchto zařízení můžeme dodat přesný protokol o měření mechanické amplitudy na hrotu sonotrody. Doporučujeme používat kterékoli z těchto zařízení se sonotrodou BS4d22 (průměr 22mm) a stojanem ST2.

Sonotroda 15,9mm s vyměnitelným hrotem pro ASTM G32 -16

Návrh, výroba a poradenství – kvalita Made in Germany

Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou proslulé svou nejvyšší kvalitou a konstrukčními standardy. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových přístrojů do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí ultrazvukové přístroje Hielscher snadno zvládají.

Hielscher Ultrasonics je společnost s certifikací ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrazvukové přístroje s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Ultrazvukové přístroje Hielscher samozřejmě vyhovují předpisům CE a splňují požadavky UL, CSA a 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.