Testování kavitační eroze

Kavitační eroze vzniká na površích materiálů, které jsou vystaveny intenzivní ultrazvukové kavitaci. Testování kavitační eroze je rychlá metoda měření erozní odolnosti materiálů nebo povlaků vůči intenzivnímu namáhání a dalším erozním faktorům. Poskytuje snadné kvantitativní měření pro kontrolu kvality a je užitečné při výzkumu materiálů nebo při vývoji složení povlaků.

Proč používat testování kavitační eroze?

Probíhající eroze nebo koroze může vyžadovat pravidelnou výměnu dílů nebo obnovu povrchových povlaků. Eroze povrchu materiálu v důsledku mechanických nebo chemických vlivů je pomalý proces, který vede k postupnému ničení povrchů materiálů. Proto může být hodnocení erozní odolnosti materiálu nebo erozního účinku kapalin a suspenzí velmi časově náročným procesem.
Ultrazvukové testování kavitační eroze vystavuje povrch materiálu řízeným, intenzivním, opakujícím se cyklům namáhání. Výsledkem je výrazná eroze povrchu materiálu za krátkou dobu. Erozní odolnost tak můžete rychle změřit pro pravidelnou kontrolu kvality ve výrobě, pro hodnocení vstupních materiálů nebo v rámci výzkumu a vývoje.
Mezi standardní aplikace patří metalurgické testování, testování složení povlaků, testování nanášení povlaků nebo hodnocení inhibitorů eroze v kapalinách.

Proč kavitace způsobuje erozi povrchu?

Ultrazvuková zařízení, jako je UP400St (400 wattů, 24kHz) nebo UIP1000hdT (1000 wattů, 20kHz), přenášejí ultrazvukové vibrace do kapalin, například do vody. Rychlý vratný pohyb vibrací v kapalině vytváří kavitační bubliny a způsobuje jejich kolaps. Při kolapsu bublin vzniká v kapalině a na exponovaných površích materiálů vysoké lokální mechanické namáhání. Proudy kapaliny o rychlosti až 1000km/h a lokální tlaky až 1000atm vedou k rychlé únavě povrchu materiálu. To může odstranit oxidové nebo pasivační vrstvy, povlaky či nánosy. Může to způsobit důlkové poškození pevných materiálů, jako je ocel, titan, hliník, plast nebo sklo. Testování kavitační eroze je proto destruktivní zkušební metodou.

Jak funguje testování kavitační eroze?

Kavitační eroze povrchů materiálů způsobuje postupný úbytek materiálu. Úbytek materiálu můžete snadno změřit vážením materiálu na přesných vahách před definovanou expozicí kavitační erozi a po ní. Typická změna hmotnosti při testu kavitační eroze se pohybuje mezi 1 a 30mg. Pro další standardizaci můžete vypočítat objemový úbytek vydělením hmotnostního úbytku hustotou materiálu. Střední hloubka penetrace (MDP) se vypočítá vydělením objemového úbytku plochou povrchu vzorku. Alternativně můžete měřit hloubku důlků nebo vytlačený objem. Mikroskopickou analýzu můžete využít k získání dalších kvalitativních informací o charakteru eroze.
Pokud k testování kavitační eroze použijete ultrazvukové zařízení Hielscher, můžete předem nastavit teplotní a tlakový rozsah, ve kterém chcete pracovat. Amplitudu sonikace můžete nastavit. Všechny parametry jsou monitorovány, zobrazovány a zaznamenávány na SD kartu. Nepotřebujete instalovat žádný proprietární software. Pokud chcete, můžete ultrazvukový proces řídit a monitorovat ze svého běžného webového prohlížeče, pokud ultrazvukové zařízení připojíte k počítači pomocí ethernetového kabelu (součástí dodávky).

Co je standardní metoda ASTM G32 pro kavitační erozi s využitím vibračního zařízení?

Norma ASTM G32-16 popisuje standardizovanou metodu pro kavitační erozi. Definuje jednoduchý, kontrolovatelný a reprodukovatelný test pro kvantifikaci a porovnání odolnosti různých materiálů vůči kavitační erozi. Specifikace ATSM G32-16 jsou užitečné pro porovnání vašich výsledků s výsledky jiných publikací. Pokud chcete testování kavitační eroze zavést do kontroly kvality, doporučujeme přizpůsobit protokol testu kavitační eroze vašim specifickým požadavkům. Rádi vám pomůžeme s návrhem přizpůsobeného protokolu testu kavitační eroze. Další informace o testování kavitační eroze podle ASTM-G32 získáte kliknutím zde!

Proč používat energetický limit místo časového limitu?

Mnoho publikací a protokolů erozních testů stanovuje dobu expozice kavitaci. U ultrazvukových zařízení Hielscher můžete předem nastavit dobu sonikace a systém se po uplynutí této doby zastaví. Výslednou rychlost kavitační eroze pak můžete vypočítat v mm/hr nebo mm3/hr. Časový limit je přijatelný pouze tehdy, pokud neměníte žádné parametry, jako je hladina kapaliny, amplituda, tlak, teplota, složení kapaliny nebo mezera mezi sonotrodou a povrchem materiálu. Pokud se kterýkoli z těchto parametrů změní, změní se i výkon sonikace a intenzita kavitace. Je důležité, že skutečný čistý výkon předávaný do kapaliny nesmí během trvání testu kolísat.
U ultrazvukových zařízení Hielscher můžete nastavit energetický limit. V tomto případě se ultrazvukové zařízení zastaví poté, co dodá stanovenou ultrazvukovou energii. Zařízení Hielscher zobrazuje a zaznamenává parametry, jako je skutečný čistý výkon, amplituda, tlak a teplota kapaliny. Kolísání výkonu nebo záměrné změny parametrů jsou při použití energetického limitu kompenzovány. Výslednou rychlost kavitační eroze pak můžete uvést v mm/kWhr, mm3/kWhr nebo mg/kWhr.
Pokud vzorek vážíte mezi jednotlivými intervaly kavitační eroze, můžete vytvořit křivku znázorňující marginální úbytek hmotnosti (rychlost úbytku hmotnosti v každém energetickém intervalu) v závislosti na kumulativní energii.
Pro přesnější výsledky může zařízení provést automatickou kalibraci (30 sekund). Ta změří výkon pro všechna nastavení amplitudy na vzduchu při okolním tlaku. Zařízení Hielscher využívá tato kalibrační data k poskytování velmi přesných hodnot čistého výkonu v reálném čase.

Tlak kapaliny během sonikace

Mnoho standardních protokolů pro testování kavitační eroze využívá ultrazvukovou kavitaci při okolním tlaku. Tlak kapaliny je druhým nejdůležitějším faktorem pro intenzitu sonikace. Zvýšení okolního tlaku o 10% zvýší intenzitu sonikace přibližně o 10%. Intenzivnější kavitace zkracuje dobu potřebnou k dosažení určitého stupně kavitační eroze. Test jednoho vzorku často trvá zhruba 15 až 120 minut. Pokud potřebujete testovat mnoho vzorků, může práce při vyšších tlacích výrazně zkrátit dobu každého testu. Testy při 5 barg (73psig) vyžadují přibl. o 80% méně času na každý test.
Hielscher dodává tlakotěsné zkušební cely s digitálním snímačem tlaku pro testování kavitační eroze. Pomocí tlakotěsné cely můžete tlak během každého testu řídit a udržovat. Ultrazvukový generátor neustále monitoruje snímač tlaku a zaznamenává skutečný tlak do souboru CSV kompatibilního s Excelem na SD kartě (součástí dodávky). Hielscher dodává regulátory tlaku pro nastavení a udržování provozního tlaku.
Standardně jsou tlakotěsné zkušební cely Hielscher pro testování kavitační eroze dimenzovány na tlak až 5barg (73psig). Vyšší tlaky až 300barg (4350psig) jsou k dispozici na vyžádání.

Ultrazvuková frekvence

Testování kavitační eroze obecně využívá nízkofrekvenční vysoce intenzivní ultrazvuk v rozsahu 18–30kHz. V tomto rozsahu má změna frekvence velmi omezený vliv na intenzitu kavitace. Všechna zařízení Hielscher pracují s konstantní frekvencí.

Vzdálenost od sonotrody

Testovaný materiál lze upevnit na sonotrodu nebo pod sonotrodu. Můžete vyrobit vzorek materiálu se závitem a upevnit jej na konec ultrazvukové sonotrody. V tomto případě vzorek kmitá se stanovenou ultrazvukovou amplitudou a vytváří kavitaci na svém povrchu. To vyžaduje přesné obrábění a ne všechny materiály jsou pro tuto možnost vhodné.
Alternativně můžete díl nebo vzorek upevnit v těsné blízkosti pod titanovou sonotrodu. V tomto případě vytváří kavitaci titanová sonotroda a povrch materiálu je kavitaci vystaven. Jedná se o pohodlnější možnost, protože do zkušební cely můžete umístit vzorky různých velikostí nebo tvarů. Pokud použijete větší sonotrodu, například sonotrodu o průměru 50mm nebo 80mm, můžete kavitační erozi vystavit více dílů současně. To je velmi užitečné, když potřebujete denně testovat mnoho dílů, např. pro kontrolu kvality.
V obou případech je velmi důležitá vzdálenost mezi ultrazvukovou sonotrodou a povrchem materiálu vedle ní. Obecně platí, že při menší vzdálenosti je kavitační eroze rychlejší. Typické vzdálenosti se pohybují od 0,2 do 15mm. Pro průkazné výsledky byste měli pro všechny testy používat stejnou vzdálenost.

Teplota kapaliny

Teplejší kapalina vede k nižší intenzitě ultrazvukové kavitace. Přívod mechanické vibrační energie do kapaliny způsobuje její zahřívání. Aby se během každého testu kavitační eroze udržela konstantní teplota, je třeba kapalinu chladit. Hielscher dodává nádoby s pláštěm a tlakotěsné cely s pláštěm. Alternativně můžete použít chladicí spirálu v kádince nebo kádinku umístit do ledové lázně. Chladivo protékající pláštěm nebo chladicí spirálou odvádí teplo z kapaliny.
Ultrazvuková zařízení Hielscher, jako je UP400St nebo UIP1000hdT, se dodávají s teplotní sondou PT100 (součástí dodávky). Ultrazvukový generátor nepřetržitě monitoruje skutečnou teplotu kapaliny a zaznamenává ji do souboru CSV kompatibilního s Excelem na SD kartě (součástí dodávky). Generátor můžete nastavit tak, aby testování kavitační eroze pozastavil, pokud se teplota kapaliny příliš odchýlí od nastavené hodnoty, např. z důvodu nedostatečné chladicí kapacity. Generátor může sonikaci automaticky obnovit, jakmile kapalina opět dosáhne stanovené teploty.

Kavitující kapalina

Při testování kavitační eroze se obecně používá voda, například destilovaná voda. Různé kapaliny vykazují různé kavitační charakteristiky. Pokud je voda pro váš materiál korozivní, můžete zvážit testování alternativních kapalin, jako jsou nízkoviskózní silikonové oleje nebo organická rozpouštědla, aby se korozní faktor eliminoval nebo snížil. Alternativně můžete kapalinu učinit korozivnější, např. změnou pH, nebo abrazivnější přidáním abrazivních částic. Testování kavitační eroze můžete využít k hodnocení erozivity a korozivity kapalin, jako jsou vrtné výplachy, nebo k hodnocení účinnosti inhibitorů koroze či eroze.

Obrábění

Při výrobě dílu nebo vzorku způsobuje CNC obrábění, broušení nebo leštění poškození struktury zrn v blízkosti povrchu materiálu. To snižuje erozní odolnost.

Pasivační/oxidové vrstvy

Eroze a koroze velmi často probíhají současně. Voda, například destilovaná, demineralizovaná nebo deionizovaná, může být pro mnoho materiálů korozivní. Ultrazvuková kavitace podporuje korozi. Pasivační vrstvy, např. u eloxovaného hliníku, zvyšují odolnost povrchu materiálu vůči erozi a korozi.

Jaká omezení má testování kavitační eroze?

Některé elastomery mohou vyžadovat velmi intenzivní expozici kavitaci, aby se u nich kavitační eroze vůbec projevila. V takovém případě nemusí sonikace bez tlakové cely vykazovat žádný měřitelný účinek.