Praktisk test af kavitationserosion på bronzebelægninger til maritime anvendelser

Test af kavitationserosion er mest nyttig, når den forbinder en kontrolleret eksponering i laboratoriet med et reelt ingeniørteknisk problem. Et praktisk eksempel er evaluering af kavitationsbestandige bronzebelægninger til maritime komponenter såsom skibsror og propeller. Disse dele arbejder i områder, hvor lokale tryksvingninger kan danne dampbobler, der kollapser nær overfladen og skaber gentagne stødbelastninger med høj intensitet. Med tiden medfører dette grubedannelse, udmattelsesskader, belægningssvigt og materialetab.

Test af kavitationserosion på bronzebelægninger

I undersøgelsen af Hauer et al. blev bronzebelægninger fremstillet ved koldsprøjtning, varmsprøjtning, HVOF-sprøjtning og lysbuesprøjtning sammenlignet med støbt nikkelaluminiumbronze og skibsbygningsstål. Det centrale spørgsmål var enkelt: Hvilken belægningsproces kan fremstille en bronzeoverflade, der modstår kavitationseksponering længe nok til maritim brug? For at besvare dette anvendte forskerne en test af kavitationserosion baseret på ASTM G32-16 med et vibrationsapparat, herunder et ultralydsvibrationssystem fra Hielscher af typen UIP1000hdT som testsystem.

Præcis styring af testbetingelser og automatiseret dataregistrering

Sonikatoren UIP1000hdT er velegnet til denne type test, fordi den leverer lavfrekvent ultralyd med høj intensitet i det område, der anvendes til test af kavitationserosion. Opstillingen til test af kavitationserosion med sonikatoren på 1000 watt arbejder ved 20 kHz og muliggør præcis procesovervågning, amplitudestyring, temperaturmåling og automatisk logning af testdata. Disse funktioner er vigtige, fordi kavitationsintensiteten i høj grad afhænger af amplitude, væsketemperatur, væsketryk, sonotrodens geometri og afstanden mellem sonotroden og prøveemnet.

(a) Test af kavitationserosion i henhold til ASTM G32-16 med sonikatoren UIP1000hd (indirekte metode). Alle testparametre er nominelle værdier; tolerancerne er angivet i standarden.
(b) Skematisk fremstilling af faserne i erosionskurven som funktion af tiden og karakteristiske parametre i testproceduren.
Grafik og undersøgelse: ©Hauer et al., 2021.

Ultralydstest af kavitationserosion på bronzebelægninger

I eksemplet med bronzebelægninger til maritime anvendelser blev testen udført i den indirekte ASTM G32-opstilling. I denne konfiguration er prøveemnet ikke fastgjort til det vibrerende horn. I stedet genererer ultralydssonotroden kavitation i destilleret vand, og det belagte prøveemne fastgøres under sonotroden med en defineret afstand. Hauer et al. anvendte en afstand på 0,5 mm mellem prøve og sonotrode, en frekvens på 20 kHz og en spids-til-spids-amplitude på 50 µm. Testvæsken var destilleret vand, der blev holdt ved omtrent stuetemperatur, omkring 25 °C.

Forberedelse af prøveemnet er et afgørende trin. Før kavitationseksponeringen blev de belagte overflader slebet og poleret trinvist ned til et fint diamantslibemiddel med en kornstørrelse under 4 µm. Dette reducerer påvirkningen fra løstsiddende partikler eller ujævnheder i overfladen, som ellers kunne løsne sig med det samme og forvrænge erosionskurven. Målet er ikke at få belægningen til at se pæn ud, men at skabe en reproducerbar udgangstilstand, så det målte massetab afspejler kavitationsbestandigheden frem for dårlig overfladeforberedelse.

Fremgangsmåden ved ultralydstest af kavitationserosion og dens resultater

Den praktiske testprocedure er enkel. Først rengøres, tørres og vejes hvert prøveemne på en præcisionsvægt. Derefter monteres det i testcellen under sonotroden BS4d22 på sonikatoren UIP1000hdT, hvor afstanden på 0,5 mm indstilles omhyggeligt og reproducerbart. Sonikatoren drives ved den definerede amplitude og frekvens, mens væsketemperaturen styres for at forhindre, at opvarmning ændrer kavitationsintensiteten. Efter et defineret eksponeringsinterval tages prøveemnet ud, rengøres, tørres og vejes igen. Denne sekvens gentages med stadig længere, materialeafhængige eksponeringsintervaller, indtil der er opnået en fuldstændig erosionskurve.
Den direkte målte størrelse er massetabet. Til ingeniørteknisk sammenligning omregnes dette massetab til volumentab ved hjælp af materialets densitet. Volumentabet divideres derefter med det eksponerede overfladeareal for at bestemme den gennemsnitlige erosionsdybde. Ud fra erosionsdybdekurven kan forskeren beregne karakteristiske erosionsparametre såsom maksimal erosionshastighed, terminal erosionshastighed og gennemsnitlig erosionsdybde. Hielscher bemærker også, at erosion kan angives som masse, volumen eller indtrængningsdybde pr. tidsenhed eller pr. tilført ultralydsenergi, afhængigt af den valgte protokol.

Gennemsnitlige erosionsdybder som funktion af justerede belægningskvalitetsparametre n. Udglødning af pulveret og dermed reduceret pulverstyrke gør det muligt at opnå høj belægningskvalitet. De indsatte billeder viser overfladeskaderne efter en kavitationstesttid på 100min.
Grafer og undersøgelse: ©Hauer et al., 2021.

En vigtig lære fra Hauers undersøgelse er, at erosionshastigheder tidligt i forløbet kan være misvisende. Termisk og kinetisk sprøjtede belægninger viste ofte et højt indledende materialetab efterfulgt af en lavere og mere stabil erosionshastighed. Derfor anvendte Hauer et al. terminal erosionshastighed som en mere repræsentativ indikator for belægningens ydeevne på lang sigt. I deres sammenligning over 120 minutter blev den terminale erosionshastighed hovedsageligt vurderet ud fra testens anden halvdel, efter 60 minutter, for bedre at beskrive den stabiliserede adfærd.

Testresultaterne viser, hvorfor et kontrolleret vibrationsapparat til kavitation er værdifuldt. Støbt nikkelaluminiumbronze opnåede en terminal erosionshastighed på omkring 0,40 µm/h. Optimeret varmsprøjtet bronze nåede 0,57 µm/h, tæt på den støbte reference. En optimeret lysbuesprøjtet belægning på skibsbygningsstål nåede omkring 1,02 µm/h, mens en optimeret HVOF-belægning nåede omkring 1,74 µm/h. Selv når disse belægninger ikke fuldt ud matchede støbt propelbronze, klarede de sig markant bedre end skibsbygningsstål; undersøgelsen rapporterer, at lysbuesprøjtede og HVOF-sprøjtede belægninger opnåede henholdsvis omkring 26 gange og 16 gange bedre kavitationsbestandighed end VL-A-stål.

Brug en sonikator som vibrationsapparat til dine test af kavitationserosion

Den praktiske konklusion er, at test af kavitationserosion med sonikatoren UIP1000hdT som vibrationsapparat kan gøre mere end at rangordne materialer. Den viser, hvordan belægningsproces, mikrostruktur, oxidindhold, porøsitet, binding ved grænsefladen og efterbehandling påvirker den faktiske erosionsadfærd. Hauer et al. konkluderede, at HVOF- og lysbuesprøjtning kan tilbyde et godt kompromis mellem ydeevne og omkostninger ved forbedring af overflader på stålror, mens kold- og varmsprøjtning foretrækkes, når der kræves en kavitationsbestandighed tæt på nikkelaluminiumbronze i massivt materiale.

For laboratorier og belægningsudviklere er nøglen til reproducerbare resultater streng kontrol med testparametrene: sonotrodeamplitude, frekvens, afstand mellem sonotrode og prøve, væsketemperatur, væskens kemiske sammensætning, forberedelse af prøveemnet, vejeintervaller og beregning af erosionshastighed. Når disse betingelser er defineret, giver Hielscher UIP1000hdT en praktisk og reproducerbar måde at omsætte ultralydskavitation til kvantitative data om belægningers ydeevne.

Eksempel på arbejdsark til test af kavitationserosion

 
Du kan finde instruktioner til test af kavitationserosion her!

ASTM G32-opstilling til test af kavitationserosion

Sonikatorerne UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT og UIP2000hdT er egnede til ASTM G32-test. Vi kan levere hver af disse enheder med en præcis amplitudemåleprotokol for den mekaniske amplitude ved sonotrodespidsen. Vi anbefaler at bruge en af disse enheder med en sonotrode BS4d22 (22mm diameter) og et stativ ST2.

ASTM G32 -16 15,9mm sonotrode med udskiftelig spids

Design, fremstilling og rådgivning – kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielschers ultralydsapparater er kendt for deres højeste standarder for kvalitet og design. Robusthed og nem betjening muliggør problemfri integration af vores ultralydsapparater i industrielle anlæg. Hielschers ultralydsapparater klarer uden problemer barske forhold og krævende miljøer.

Hielscher Ultrasonics er en ISO-certificeret virksomhed og lægger særlig vægt på højtydende ultralydsapparater med den nyeste teknologi og brugervenlighed. Hielschers ultralydsapparater er naturligvis CE-kompatible og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.

Litteratur / referencer

• 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.