Testování eroze kavitace

Kavitační eroze nastává na površích materiálů, které jsou vystaveny intenzivní ultrazvukové kavitaci. Kavitační testování eroze je rychlá metoda měření odolnosti materiálů nebo povlaků proti erozi vůči intenzivnímu namáhání a dalším erozním faktorům. Poskytuje snadné kvantitativní měření pro kontrolu kvality a je užitečný při výzkumu materiálů nebo formulaci povlaků.

Proč používat testování eroze kavitace?

Probíhající eroze nebo koroze může vyžadovat pravidelnou výměnu dílů nebo obnovu povrchových nátěrů. Eroze povrchu materiálu v důsledku mechanických nebo chemických vlivů je pomalý proces, který má za následek postupnou destrukci povrchů materiálu. Proto může být hodnocení odolnosti materiálu proti erozi nebo erozního účinku kapalin a kalů velmi časově náročný proces.
Ultrazvukové testování eroze kavitací vystavuje povrch materiálu kontrolovaným, intenzivním a opakujícím se cyklům napětí. To má za následek výraznou erozi povrchu materiálu v krátké době. Odolnost proti erozi můžete rychle změřit při pravidelné kontrole kvality ve výrobě, při hodnocení vstupních materiálů nebo při výzkumu a vývoji.
Mezi standardní aplikace patří metalurgické zkoušky, zkoušky složení nátěrových hmot, zkoušky nanášení povlaků nebo hodnocení inhibitorů eroze v kapalinách.

Proč kavitace způsobuje erozi povrchu?

Ultrazvuková zařízení, jako je UP400St (400 wattů, 24 kHz) nebo UIP1000hdT (1000 wattů, 20 kHz), spojují ultrazvukové vibrace s kapalinami, jako je voda. Rychlý vzájemný pohyb vibrací v kapalině vytváří a skládá kavitační bubliny. Když se bubliny zhroutí, dochází k vysokému lokálnímu mechanickému namáhání v kapalině a na exponovaných površích materiálu. Trysky kapaliny o rychlosti až 1000 km/h a místní tlaky až 1000 atm vedou k rychlé únavě povrchu materiálu. To může odstranit oxidové nebo pasivační vrstvy, povlaky nebo znečištění. Může způsobit důlkovou korozi pevných materiálů, jako je ocel, titan, hliník, plast nebo sklo. Testování eroze kavitace je tedy destruktivní zkušební metoda.

Jak funguje testování eroze kavitace?

Kavitační eroze povrchů materiálů způsobuje postupnou ztrátu materiálu. Úbytek materiálu můžete snadno změřit zvážením materiálu na přesné váze před a po definovaném vystavení erozi kavitací. Typická změna hmotnosti pro test eroze kavitace je mezi 1 a 30 mg. Pro další standardizaci můžete vypočítat objemovou ztrátu vydělením úbytku hmotnosti hustotou materiálu. Střední hloubka průniku (MDP) se vypočítá vydělením objemové ztráty plochou povrchu vzorku. Alternativně můžete změřit hloubku důlkové koroze nebo posunutý objem. Pomocí mikroskopické analýzy můžete získat další kvalitativní informace o vzorci eroze.
Když používáte ultrazvukové zařízení Hielscher pro testování eroze kavitace, můžete přednastavit teplotní rozsah a tlakový rozsah, ve kterém chcete pracovat. Můžete upravit amplitudu sonikace. Všechny parametry jsou monitorovány, zobrazovány a protokolovány na SD kartu. Nepotřebujete žádnou instalaci proprietárního softwaru. Pokud chcete, můžete ovládat a sledovat ultrazvukový proces z běžného webového prohlížeče, pokud připojíte ultrazvukový přístroj k počítači pomocí ethernetového kabelu (součástí balení).

Jaká je standardní metoda ASTM G32 pro erozi kavitace pomocí vibračního zařízení?

Norma ASTM G32-16 popisuje standardizovanou metodu kavitační eroze. Definuje jednoduchý, kontrolovatelný a reprodukovatelný test pro kvantifikaci a porovnání odolnosti různých materiálů proti erozi kavitace. Specifikace ATSM G32-16 jsou užitečné pro porovnání vašich výsledků s výsledky jiných publikací. Pokud byste chtěli implementovat testování eroze kavitace v rámci kontroly kvality, doporučujeme přizpůsobit protokol testu eroze kavitace vašim konkrétním požadavkům. Rádi vám pomůžeme s návrhem přizpůsobeného zkušebního protokolu kavitační eroze. Pro více informací o testování eroze kavitace v souladu s ASTM-G32 klikněte prosím zde!

Proč bych měl používat energetický limit místo časového limitu?

Mnoho publikací a protokolů o erozních zkouškách uvádí dobu expozice kavitaci. V ultrazvukových zařízeních Hielscher můžete přednastavit čas sonikace a systém se po uplynutí této doby zastaví. Poté můžete vypočítat výslednou rychlost eroze kavitace v mm/h nebo mm3/h. Časový limit je přijatelný pouze v případě, že nezměníte žádné parametry, jako je hladina kapaliny, amplituda, tlak, teplota, složení kapaliny nebo mezera mezi sonotrodou a povrchem materiálu. Pokud se některý z těchto parametrů změní, změní se i síla sonikace a intenzita kavitace. Je důležité, aby skutečný čistý výkon dodávaný do kapaliny během trvání zkoušky nekolísal.
V ultrazvukových zařízeních Hielscher můžete nastavit energetický limit. V tomto případě se ultrazvukové zařízení zastaví poté, co dodalo specifikovanou ultrazvukovou energii. Zařízení Hielscher zobrazí a zaznamená parametry, jako je skutečný čistý výkon, amplituda, tlak a teplota kapaliny. Kolísání výkonu nebo záměrné změny parametrů budou kompenzovány při použití energetického limitu. Poté můžete zadat výslednou rychlost eroze kavitace v mm/kWhr, mm3/kWhr nebo mg/kWhr.
Pokud zvážíte vzorek mezi intervaly eroze kavitace, můžete vygenerovat křivku znázorňující mezní úbytek hmotnosti (rychlost úbytku hmotnosti v každém energetickém intervalu) oproti kumulativní energii.
Pro přesnější výsledky může přístroj provést automatickou kalibraci (30 sekund). Měří výkon pro všechna nastavení amplitudy ve vzduchu při okolním tlaku. Zařízení Hielscher používá tato kalibrační data k poskytování velmi přesných hodnot čistého výkonu v reálném čase.

Tlak kapaliny během sonikace

Mnoho standardních protokolů pro testování eroze kavitace používá ultrazvukovou kavitaci při okolním tlaku. Tlak kapaliny je druhým nejdůležitějším faktorem pro intenzitu sonikace. 10% zvýšení okolního tlaku zvýší intenzitu sonikace asi o 10%. Intenzivnější kavitace zkracuje dobu potřebnou k dosažení určitého stupně eroze kavitace. Test jednoho vzorku může často trvat 15 až 120 minut. Pokud máte k testování mnoho vzorků, může práce při vyšších tlacích výrazně zkrátit dobu každého testu. Testy při 5 barg (73 psig) vyžadují přibližně o 80 % méně času na každý test.
Hielscher dodává tlakotěsné zkušební články s digitálním tlakovým senzorem pro testování eroze kavitace. Pomocí tlakotěsné cely můžete kontrolovat a udržovat tlak během každého testu. Ultrazvukový generátor neustále monitoruje tlakový senzor a protokoluje skutečný tlak do souboru CSV kompatibilního s Excelem na SD kartě (součástí balení). Hielscher dodává regulátory tlaku pro nastavení a udržování provozního tlaku.
Jako standard Hielscher tlakotěsné testovací buňky pro kavitační erozní testování jsou dimenzovány až na tp 5barg (73psig). Vyšší tlaky až do 300 barg (4350 psig) jsou k dispozici na vyžádání.

Ultrazvuková frekvence

Obecně platí, že testování eroze kavitace používá nízkofrekvenční ultrazvuk s vysokou intenzitou v rozsahu 18-30 kHz. V tomto rozsahu má změna frekvence velmi omezený vliv na intenzitu kavitace. Všechna zařízení Hielscher pracují s konstantní frekvencí.

Vzdálenost od Sonotrody

Materiál, který má být testován, může být namontován na sonotrodu nebo pod sonotrodu. Můžete vytvořit vzorek závitového materiálu a připevnit jej na konec ultrazvukové sonotrody. V tomto případě vzorek vibruje při stanovené ultrazvukové amplitudě a vytváří kavitaci na svém povrchu. To vyžaduje přesné obrábění a ne všechny materiály jsou pro tuto možnost vhodné.
Alternativně můžete fixovat část nebo vzorek v těsné blízkosti pod titanovou sonotrodou. V tomto případě titanová sonotroda vytváří kavitaci a povrch materiálu je vystaven kavitaci. Toto je pohodlnější možnost, protože do testovací cely můžete umístit vzorky různých velikostí nebo tvarů. Pokud použijete větší sonotrodu, jako je sonotroda o průměru 50 mm nebo 80 mm, můžete vystavit více částí kavitační erozi současně. To je velmi užitečné, když musíte testovat mnoho dílů denně, např. pro kontrolu kvality.
V obou případech je velmi důležitá vzdálenost mezi ultrazvukovou sonotrodou a povrchem materiálu vedle ní. Obecně platí, že kavitační eroze je rychlejší při použití menší vzdálenosti. Typické vzdálenosti se pohybují od 0,2 do 15 mm. Chcete-li získat přesvědčivé výsledky, měli byste pro všechny testy použít stejnou vzdálenost.

Teplota kapaliny

Teplejší kapalina má za následek nižší intenzitu ultrazvukové kavitace. Vstup mechanické vibrační energie do kapaliny způsobí zahřátí kapaliny. Aby se během každého testu eroze kavitace udržela konstantní teplota, je třeba kapalinu ochladit. Hielscher dodává opláštěné kontejnery a opláštěné tlakotěsné články. Alternativně můžete použít chladicí spirálu v kádince nebo můžete kádinku umístit do ledové lázně. Chladicí kapalina, která prochází pláštěm nebo chladicí spirálou, odvádí teplo z kapaliny.
Hielscher ultrazvuková zařízení, jako je UP400St nebo UIP1000hdT jsou dodávány s teplotní sondou PT100 (součástí dodávky). Ultrazvukový generátor nepřetržitě monitoruje aktuální teplotu kapaliny a protokoluje teplotu do souboru CSV kompatibilního s Excelem na SD kartě (součástí balení). Generátor můžete nastavit tak, aby pozastavil testování eroze kavitace, pokud se teplota kapaliny příliš odchýlí od vaší nastavené hodnoty, např. kvůli nedostatečnému chladicímu výkonu. Generátor může automaticky obnovit sonikaci, když kapalina znovu dosáhne stanovené teploty.

Kavitační kapalina

Obecně platí, že testování eroze kavitace používá vodu, jako je destilovaná voda. Různé kapaliny vykazují různé kavitační charakteristiky. Pokud je voda korozivní pro váš materiál, možná budete chtít otestovat alternativní kapaliny, jako jsou silikonové oleje s nízkou viskozitou nebo organická rozpouštědla, abyste odstranili nebo snížili korozivní faktor. Alternativně můžete kapalinu zvýšit korozivnost, např. změnou pH nebo abrazivnější přidáním abrazivních částic. Testování eroze kavitací můžete použít k vyhodnocení eroze a korozivnosti kapalin, jako jsou vrtné kaly, nebo k vyhodnocení účinnosti inhibitorů koroze nebo eroze.

Obrábění

Když vyrábíte díl nebo vzorek, CNC obrábění, broušení nebo leštění způsobuje poškození struktury zrna v blízkosti povrchu materiálu. Tím se snižuje odolnost proti erozi.

Pasivační/oxidové vrstvy

Velmi často dochází k erozi a korozi současně. Voda, jako je destilovaná, demineralizovaná nebo deionizovaná voda, může být korozivní pro mnoho materiálů. Ultrazvuková kavitace podporuje korozi. Pasivační vrstvy, např. u eloxovaného hliníku, zvýší odolnost povrchu materiálu proti erozi a korozi.

Jaká omezení má testování eroze kavitace?

Některé elastomery mohou vyžadovat velmi intenzivní kavitační expozici, aby se vůbec projevila jakákoli kavitační eroze. V tomto případě nemusí sonikace bez tlakové buňky vykazovat žádný měřitelný účinek.