Praktisk test af kavitationserosion af belægninger af marinbronze

Test af kavitationserosion er mest nyttig, når den knytter en kontrolleret laboratorieeksponering til et konkret teknisk problem. Et praktisk eksempel er evalueringen af kavitationsbestandige bronzeoverfladebehandlinger til maritime komponenter såsom skibsror og skruer. Disse dele fungerer i områder, hvor lokale trykudsving kan generere dampbobler, der kollapser tæt på overfladen og dermed skaber gentagne slagbelastninger af høj intensitet. Over tid medfører dette huludvikling, udmattelsesskader, svigt i overfladebehandlingen og materialetab.

Kavitationserosionstest af bronzeoverfladebehandlinger

I undersøgelsen af Hauer et al. blev bronzeoverfladebehandlinger fremstillet ved koldsprøjtning, varmesprøjtning, HVOF-sprøjtning og lysbuesprøjtning sammenlignet med støbt nikkel-aluminium-bronze og skibsbygningsstål. Det centrale spørgsmål var enkelt: Hvilken overfladebehandlingsmetode kan frembringe en bronzeoverflade, der kan modstå kavitation længe nok til at kunne anvendes i maritim drift? For at besvare dette anvendte forskerne en kavitationserosionstest baseret på ASTM G32-16 med et vibrationsapparat, herunder et Hielscher UIP1000hdT ultralydsvibrationssystem som testsystem.

Præcis styring af testbetingelser og automatisk dataregistrering

Ultralydsapparatet UIP1000hdT er særdeles velegnet til denne type test, da det leverer højintensivt, lavfrekvent ultralyd i det frekvensområde, der anvendes til kavitationserosionstest. Testopsætningen til kavitationserosion, der anvender 1000-watt-sonikatoren, kører ved 20 kHz og muliggør præcis procesovervågning, amplitudekontrol, temperaturmåling og automatisk protokollering af testdata. Disse funktioner er vigtige, da kavitationsintensiteten i høj grad afhænger af amplituden, væsketemperaturen, væsketrykket, sonotrodens geometri og afstanden mellem sonotroden og prøven.

(a) Kavitationserosionsprøvning i henhold til ASTM G32-16 med ultralydsapparatet UIP1000hd (indirekte metode). Alle prøvningsparametre er nominelle værdier; tolerancerne fremgår af standarden.
(b) Skematiske faser i erosions-tidskurven og karakteristiske parametre i forsøgsproceduren.
Grafik og undersøgelse: ©Hauer et al., 2021.

Ultralydskavitationserosionstest af bronzeoverfladebehandlinger

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

Forberedelse af prøverne er et afgørende trin. Før udsættelse for kavitation blev de belagte overflader trinvis slebet og poleret ned til en fin diamantslibning på under 4 µm. Dette mindsker indflydelsen fra løst siddende partikler eller uregelmæssigheder i overfladen, som ellers kunne løsne sig med det samme og forvride erosionskurven. Målet er ikke at få belægningen til at se pæn ud, men at skabe en reproducerbar udgangstilstand, så det målte massetab afspejler kavitationsmodstanden snarere end en dårlig overfladebehandling.

Fremgangsmåden ved ultralydskavitationserosionsprøvning og resultaterne heraf

Den praktiske testprocedure er enkel. Først rengøres, tørres og vejes hver prøve på en præcisionsvægt. Derefter monteres den i testcellen under sonotroden BS4d22 på ultralydsapparatet UIP1000hdT, hvor afstanden på 0,5 mm indstilles omhyggeligt og gentageligt. Ultralydsapparatet kører ved den definerede amplitude og frekvens, mens væsketemperaturen reguleres for at forhindre, at opvarmning ændrer kavitationsintensiteten. Efter et defineret eksponeringsinterval fjernes prøven, rengøres, tørres og vejes igen. Denne sekvens gentages over stigende, materialeafhængige eksponeringsintervaller, indtil der opnås en komplet erosionskurve.
Den rå måling er massetab. Til tekniske sammenligninger omregnes dette massetab til volumetab ved hjælp af materialets massefylde. Volumetabet 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 parametre for belægningskvalitet n. Glødning af pulveret og dermed reduceret pulverstyrke gør det muligt at opnå høje belægningskvaliteter. Indsatserne viser den overfladeskade, der er opstået efter en kavitationstest på 100 minutter.
Grafer og undersøgelse: ©Hauer et al., 2021.

En vigtig konklusion fra Hauer-undersøgelsen er, at de tidlige erosionshastigheder kan være vildledende. Termisk og kinetisk påsprøjtede belægninger udviste ofte et stort indledende materialetab, efterfulgt af en lavere, mere stabil erosionshastighed. Af denne grund anvendte Hauer et al. den endelige erosionshastighed som en mere repræsentativ indikator for belægningens ydeevne på lang sigt. I deres 120-minutters sammenligning blev den endelige erosionshastighed hovedsageligt vurderet ud fra testens anden halvdel, dvs. efter 60 minutter, for bedre at kunne afspejle den stabiliserede adfærd.

Testresultaterne viser, hvorfor et apparat til kontrolleret vibrationskavitation er værdifuldt. Støbt nikkel-aluminium-bronze opnåede en endelig erosionshastighed på ca. 0,40 µm/h. Optimeret varmsprøjtet bronze nåede op på 0,57 µm/h, hvilket ligger tæt på referencen for støbt bronze. En optimeret lysbuesprøjtet belægning på skibsbygningsstål nåede op på ca. 1,02 µm/h, mens en optimeret HVOF-belægning nåede op på ca. 1,74 µm/h. Selv om disse belægninger ikke helt matchede den støbte propelbronze, overgik de skibsbygningsstål markant; undersøgelsen rapporterer, at lysbuesprøjtede og HVOF-sprøjtede belægninger opnåede henholdsvis ca. 26 gange og 16 gange bedre kavitationsmodstand end VL-A-stål.

Brug en sonikator som vibrationsapparat til dine kavitationserosionsforsøg

Den praktiske konklusion er, at kavitationserosionsforsøg med UIP1000hdT-sonikatoren som vibrationsapparat kan mere end blot at rangordne materialer. Det afslører, hvordan belægningsprocessen, mikrostrukturen, oxidindholdet, porøsiteten, grænsefladebindingen og efterbehandlingen påvirker den faktiske erosionsadfærd. Hauer et al. konkluderede, at HVOF- og lysbuesprøjtning kan tilbyde et godt kompromis mellem ydeevne og omkostninger til forbedring af stålroroverflader, mens kold- og varmesprøjtning foretrækkes, når der kræves en kavitationsmodstand, der ligger tæt på den for nikkel-aluminium-bronze i massiv form.

For laboratorier og udviklere af overfladebehandlinger er nøglen til reproducerbare resultater en streng kontrol af testparametrene: sonotrodeamplitude, frekvens, afstand mellem sonotrode og prøve, væsketemperatur, væskens kemiske sammensætning, forberedelse af prøver, vejningsintervaller og beregning af erosionshastighed. Når disse betingelser er fastlagt, giver Hielscher UIP1000hdT en praktisk og repeterbar metode til at omsætte ultralydskavitation til kvantitative data om belægningens ydeevne.

Eksempel på arbejdsark til kavitationserosionstest

 
Her kan du finde vejledninger til kavitationserosionsforsøg!

ASTM G32-testopsætning til kavitationserosion

Ultralydsapparatet UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT og UIP2000hdT er velegnede til ASTM G32-test. Vi kan levere hvert af disse apparater med en præcis Protokol til måling af amplitude af den mekaniske amplitude ved sonotrode-spidsen. Vi anbefaler at bruge en af disse enheder sammen med en sonotrode BS4d22 (22 mm i diameter) og et stativ ST2.

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

Design, produktion og rådgivning – Kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielscher ultralydapparater er kendt for deres højeste kvalitet og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør en jævn integration af vores ultralydapparater i industrielle faciliteter. Hårde forhold og krævende miljøer håndteres let af Hielscher ultralydsapparater.

Hielscher Ultrasonics er et ISO-certificeret firma og lægger særlig vægt på højtydende ultralydapparater med avanceret teknologi og brugervenlighed. Selvfølgelig er Hielscher ultralydapparater CE-kompatible og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.

Litteratur / Referencer