Praktické zkoušky kavitace a eroze u povlaků z námořního bronzu

Zkoušky kavitací eroze jsou nejužitečnější tehdy, když propojují řízené laboratorní podmínky s reálným technickým problémem. Praktickým příkladem je hodnocení povlaků z bronzu odolných proti kavitaci pro námořní součásti, jako jsou lodní kormidla a lodní šrouby. Tyto součásti pracují v oblastech, kde lokální kolísání tlaku může vytvářet parní bubliny, které se rozpadají v blízkosti povrchu a způsobují opakovaná nárazová zatížení vysoké intenzity. V průběhu času to vede ke vzniku důlkové koroze, únavovému poškození, selhání povlaku a ztrátě materiálu.

Zkouška kavitací způsobené eroze bronzových povlaků

Ve studii autorů Hauer a kol. byly porovnány bronzové povlaky vyrobené metodami studeného nástřiku, teplého nástřiku, nástřiku HVOF a obloukového nástřiku s odlitkem z nikl-hliníkového bronzu a lodní ocelí. Hlavní otázka byla jednoduchá: který proces nanášení povlaku dokáže vytvořit bronzový povrch, který odolá kavitaci dostatečně dlouho pro použití v námořním prostředí? K zodpovězení této otázky použili výzkumníci zkoušku kavitace a eroze podle normy ASTM G32-16 s vibračním zařízením, jehož součástí byl ultrazvukový vibrační systém Hielscher UIP1000hdT jako zkušební systém.

Přesná regulace zkušebních podmínek a automatizovaný záznam dat

Ultrazvukový přístroj UIP1000hdT je pro tento typ zkoušky velmi vhodný, protože generuje vysoce intenzivní nízkofrekvenční ultrazvuk v rozsahu používaném pro zkoušky kavitační eroze. Zkušební sestava pro test kavitace a eroze využívající 1000-wattový sonikátor pracuje na frekvenci 20 kHz a umožňuje přesné monitorování procesu, regulaci amplitudy, měření teploty a automatické zaznamenávání 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) Zkouška kavitační eroze podle normy ASTM G32-16 s použitím ultrazvukového zařízení UIP1000hd (nepřímá metoda). Všechny parametry zkoušky jsou jmenovité hodnoty; tolerance jsou uvedeny v normě.
(b) Schematické fáze na křivce eroze v závislosti na čase a charakteristické parametry zkušebního postupu.
Grafika a studie: ©Hauer et al., 2021.

Zkouška eroze bronzových povlaků pomocí ultrazvukové kavitace

V případě příkladu s povlakem z námořní bronzu byl test proveden v nepřímém uspořádání podle normy ASTM G32. V této konfiguraci není vzorek připevněn k vibrujícímu rohu. Místo toho ultrazvuková sonotroda vyvolává kavitaci v destilované vodě a povlakovaný vzorek je upevněn pod sonotrodou ve stanovené vzdálenosti. 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 při pokojové teplotě, kolem 25 °C.

Příprava vzorků je klíčovým krokem. Před vystavením kavitaci byly povrchy s povlakem postupně broušeny a leštěny jemným diamantovým brusivem na hrubost pod 4 µm. Tím se snižuje vliv volně ulpěných částic nebo povrchových nerovností, které by se jinak mohly okamžitě odloučit a zkreslit erozní křivku. Cílem není dosáhnout estetického vzhledu povlaku, ale vytvořit reprodukovatelné výchozí podmínky, aby naměřená ztráta hmotnosti odrážela odolnost proti kavitaci, a nikoli nekvalitní přípravu povrchu.

Postup zkoušky eroze ultrazvukovou kavitací a její výsledky

Postup praktické zkoušky je jednoduchý. Nejprve se každý vzorek očistí, vysuší a zváží na přesných vahách. Poté se umístí do zkušební komory pod sonotrodu BS4d22 ultrazvukového zařízení UIP1000hdT, přičemž se pečlivě a opakovatelně nastaví mezera 0,5 mm. Ultrazvukový přístroj pracuje při definované amplitudě a frekvenci, přičemž teplota kapaliny je regulována tak, aby se zabránilo ovlivnění intenzity kavitace zahříváním. Po uplynutí definovaného expozičního intervalu se vzorek vyjme, očistí, vysuší a znovu zváží. Tato sekvence se opakuje s postupně se prodlužujícími expozičními intervaly v závislosti na materiálu, dokud není získána kompletní erozní křivka.
Základním měřeným veličinou je úbytek hmotnosti. Pro technické srovnání se tento úbytek hmotnosti pomocí hustoty materiálu převede na úbytek objemu. Úbytek objemu se poté vydělí plochou vystaveného povrchu, čímž se určí průměrná hloubka eroze. Z křivky hloubky eroze může výzkumník vypočítat charakteristické parametry eroze, jako je maximální rychlost eroze, konečná rychlost eroze a průměrná hloubka eroze. Hielscher rovněž poznamenává, že eroze může být uváděna jako hmotnost, objem nebo hloubka proniknutí za jednotku času nebo na dodanou ultrazvukovou energii, v závislosti na zvoleném protokolu.

Průměrné hloubky eroze jako funkce upravených parametrů kvality povlaku n. Žíhání prášku a tím snížená pevnost prášku umožňují dosáhnout vysoké kvality povlaku. Vložky znázorňují poškození povrchu po 100 minutách kavitačního testování.
Grafy a studie: ©Hauer et al., 2021.

Jedním z důležitých poznatků ze studie Hauera je, že počáteční rychlosti eroze mohou být zavádějící. U povlaků nanesených tepelným a kinetickým nástřikem se často projevovala vysoká počáteční ztráta materiálu, po níž následovala nižší a stabilnější rychlost eroze. Z tohoto důvodu použili Hauer a kol. konečnou rychlost eroze jako reprezentativnější ukazatel dlouhodobé výkonnosti povlaku. Ve svém 120minutovém srovnání byla konečná rychlost eroze vyhodnocována především na základě druhé poloviny zkoušky, tedy po 60 minutách, aby bylo možné lépe zachytit stabilizované chování.

Výsledky testů ukazují, proč je zařízení pro řízenou vibrační kavitaci tak cenné. U odlitku z nikl-hliníkové bronzi byla naměřena konečná rychlost eroze přibližně 0,40 µm/h. U optimalizovaného bronzového povlaku naneseného metodou teplého nástřiku byla naměřena rychlost 0,57 µm/h, což se blíží referenční hodnotě u odlitku. Optimalizovaný obloukově nanesený povlak na lodní oceli dosáhl hodnoty přibližně 1,02 µm/h, zatímco optimalizovaný povlak nanesený technologií HVOF dosáhl hodnoty přibližně 1,74 µm/h. I když tyto povlaky nedosáhly zcela stejných výsledků jako odlitý bronz pro lodní šrouby, výrazně překonaly lodní ocel; studie uvádí, že povlaky nanesené obloukovým nástřikem a technologií HVOF dosáhly přibližně 26krát, respektive 16krát lepší odolnosti proti kavitaci než ocel VL-A.

Použijte sonikátor jako vibrační zařízení pro vaše zkoušky kavitační eroze

Z toho vyplývá praktický závěr, že zkoušky kavitační eroze s použitím sonikátoru UIP1000hdT jako vibračního zařízení umožňují více než jen srovnání materiálů. Ukazují, jak proces nanášení povlaku, mikrostruktura, obsah oxidů, poréznost, přilnavost na rozhraní a následná úprava ovlivňují skutečné chování při erozi. Hauer a kol. dospěli k závěru, že technologie HVOF a obloukové nástřikování mohou nabídnout dobrý kompromis mezi výkonem a náklady při zlepšování povrchů ocelových kormidel, zatímco studené a teplé nástřikování se upřednostňují v případech, kdy je vyžadována odolnost proti kavitaci srovnatelná s objemovou niklovo-hliníkovou bronzí.

Pro laboratoře a vývojáře nátěrových hmot je klíčem k reprodukovatelným výsledkům přísná kontrola zkušebních parametrů: amplituda sonotrody, frekvence, vzdálenost mezi sonotrodou a vzorkem, teplota kapaliny, chemické složení kapaliny, příprava vzorku, intervaly vážení a výpočet rychlosti eroze. Jsou-li tyto podmínky definovány, nabízí zařízení Hielscher UIP1000hdT praktický a opakovatelný způsob, jak převést ultrazvukovou kavitaci na kvantitativní údaje o vlastnostech povlaku.

Vzorový pracovní list pro testování eroze kavitace

 
Pokyny k provádění testů kavitační eroze najdete zde!

Zkušební zařízení pro zkoušku kavitační eroze podle normy ASTM G32

Ultrazvukové přístroje UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT a UIP2000hdT jsou vhodné pro zkoušky podle normy ASTM G32. Každý z těchto přístrojů můžeme dodat s přesným protokol o měření amplitudy mechanické amplitudy na špičce sonotrody. Doporučujeme používat kterékoli z těchto zařízení se sonotrodou BS4d22 (průměr 22 mm) a stojanem ST2.

ASTM G32 -16 15,9mm sonotroda s vyměnitelným hrotem

Projekce, výroba a poradenství – Kvalita Made in Germany

Hielscher ultrasonicators jsou dobře známí pro své nejvyšší standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových zařízení do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí jsou snadno zvládnutelné Hielscher ultrasonikators.

Hielscher Ultrasonics je společnost certifikovaná ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrasonicators s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Samozřejmě, Hielscher ultrasonicators jsou v souladu s CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.

Literatura / Reference