Test af kavitationserosion

Kavitationserosion opstår på materialeoverflader, der udsættes for intens ultralydskavitation. Test af kavitationserosion er en hurtig metode til at måle materialers eller belægningers erosionsbestandighed over for intense belastninger og andre erosionsfaktorer. Metoden giver en enkel kvantitativ måling til kvalitetskontrol og er nyttig ved materialeforskning eller formulering af belægninger.

Hvorfor bruge test af kavitationserosion?

Vedvarende erosion eller korrosion kan kræve regelmæssig udskiftning af dele eller fornyelse af overfladebelægninger. Erosion af materialeoverflader som følge af mekaniske eller kemiske påvirkninger er en langsom proces, der medfører gradvis ødelæggelse af materialeoverflader. Derfor kan vurderingen af materialets erosionsbestandighed eller af væskers og suspensioners erosionsvirkning være en meget tidskrævende proces.
Test af kavitationserosion med ultralyd udsætter materialeoverfladen for kontrollerede, intense, gentagne belastningscyklusser. Dette medfører betydelig erosion af materialeoverfladen på kort tid. Du kan hurtigt måle erosionsbestandigheden til regelmæssig kvalitetskontrol i produktionen, til vurdering af indgående materialer eller under forskning og udvikling.
Standardanvendelser omfatter metallurgisk prøvning, test af belægningsformuleringer, test af påføring af belægninger eller vurdering af erosionsinhibitorer i væsker.

Hvorfor forårsager kavitation overfladeerosion?

Ultralydsapparater som UP400St (400 watt, 24kHz) eller UIP1000hdT (1000 watt, 20kHz) kobler ultralydsvibrationer ind i væsker som vand. Vibrationens hurtige frem- og tilbagebevægelse i væsken danner kavitationsbobler og får dem til at kollapse. Når boblerne kollapser, opstår der store lokale mekaniske spændinger i væsken og på eksponerede materialeoverflader. Væskestråler på op til 1000km/h og lokale tryk på op til 1000atm medfører hurtig udmattelse af materialeoverfladen. Dette kan fjerne oxid- eller passiveringslag, belægninger eller aflejringer. Det kan forårsage grubedannelse i faste materialer som stål, titanium, aluminium, plast eller glas. Test af kavitationserosion er derfor en destruktiv prøvningsmetode.

Hvordan fungerer test af kavitationserosion?

Kavitationserosion af materialeoverflader forårsager gradvist materialetab. Du kan nemt måle materialetabet ved at veje materialet på en præcisionsvægt før og efter en defineret eksponering for kavitationserosion. En typisk vægtændring ved en kavitationserosionstest er mellem 1 og 30mg. For yderligere standardisering kan du beregne volumentabet ved at dividere vægttabet med materialets densitet. Den gennemsnitlige indtrængningsdybde (MDP) beregnes ved at dividere volumentabet med prøveemnets overfladeareal. Alternativt kan du måle grubedybden eller det fortrængte volumen. Du kan bruge mikroskopisk analyse til at få yderligere kvalitative oplysninger om erosionsmønstret.
Når du bruger et ultralydsapparat fra Hielscher til test af kavitationserosion, kan du forudindstille det temperaturinterval og trykinterval, du vil arbejde inden for. Du kan justere sonikeringsamplituden. Alle parametre overvåges, vises og logges på et SD-kort. Du behøver ikke at installere proprietær software. Hvis du ønsker det, kan du styre og overvåge ultralydsprocessen fra din sædvanlige webbrowser, hvis du forbinder ultralydsapparatet med din computer via ethernetkablet (medfølger).

Hvad er ASTM G32-standardmetoden til kavitationserosion ved hjælp af et vibrerende apparat?

Standarden ASTM G32-16 beskriver en standardiseret metode til kavitationserosion. Den definerer en enkel, kontrollerbar og reproducerbar test til at kvantificere og sammenligne forskellige materialers bestandighed mod kavitationserosion. Specifikationerne i ATSM G32-16 er nyttige til at sammenligne dine resultater med resultater fra andre publikationer. Hvis du ønsker at indføre test af kavitationserosion i kvalitetskontrollen, anbefaler vi at tilpasse testprotokollen for kavitationserosion til dine specifikke krav. Vi hjælper dig gerne med at udarbejde en tilpasset testprotokol for kavitationserosion. Klik her for at få flere oplysninger om test af kavitationserosion i henhold til ASTM-G32!

Hvorfor bør jeg bruge en energigrænse i stedet for en tidsgrænse?

Mange publikationer og erosionstestprotokoller angiver en eksponeringstid for kavitation. På ultralydsapparater fra Hielscher kan du forudindstille en sonikeringstid, og systemet stopper, når denne tid er gået. Du kan derefter beregne den resulterende kavitationserosionshastighed i mm/hr eller mm3/hr. En tidsgrænse er kun acceptabel, hvis du ikke ændrer nogen parametre såsom væskeniveau, amplitude, tryk, temperatur, væskesammensætning eller afstand mellem sonotroden og materialeoverfladen. Hvis nogen af disse parametre ændres, ændres sonikeringseffekten og kavitationens intensitet også. Det er vigtigt, at den faktiske nettoeffekt, der tilføres væsken, ikke svinger under testen.
På ultralydsapparater fra Hielscher kan du indstille en energigrænse. I dette tilfælde stopper ultralydsapparatet, når det har tilført den angivne ultralydsenergi. Apparatet fra Hielscher viser og registrerer parametre såsom faktisk nettoeffekt, amplitude, tryk og væsketemperatur. Der kompenseres for udsving i effekten eller bevidste ændringer af parametre, når der bruges en energigrænse. Du kan derefter angive den resulterende kavitationserosionshastighed i mm/kWhr, mm3/kWhr eller mg/kWhr.
Hvis du vejer prøveemnet mellem kavitationserosionsintervallerne, kan du generere en kurve, der viser det marginale vægttab (vægttabshastigheden i hvert energiinterval) som funktion af den kumulative energi.
For at opnå mere præcise resultater kan apparatet udføre en automatisk kalibrering (30 sekunder). Denne måler effekten ved alle amplitudeindstillinger i luft ved omgivelsestryk. Apparatet fra Hielscher bruger disse kalibreringsdata til at give meget præcise nettoeffektværdier i realtid.

Væsketryk under sonikering

Mange standardprotokoller for test af kavitationserosion bruger ultralydskavitation ved omgivelsestryk. Væsketrykket er den næstvigtigste faktor for sonikeringsintensiteten. En stigning i omgivelsestrykket på 10% vil øge sonikeringsintensiteten med omkring 10%. Mere intens kavitation reducerer den tid, der kræves for at opnå en bestemt grad af kavitationserosion. En test af et enkelt prøveemne kan ofte tage fra 15 til 120 minutter. Hvis du har mange prøveemner, der skal testes, kan arbejde ved højere tryk forkorte tiden for hver test betydeligt. Test ved 5 barg (73psig) kræver ca. 80% mindre tid for hver test.
Hielscher leverer tryktætte testceller med en digital tryksensor til test af kavitationserosion. Ved at bruge en tryktæt celle kan du styre og opretholde trykket under hver test. Ultralydsgeneratoren overvåger tryksensoren konstant og logger det faktiske tryk i en Excel-kompatibel CSV-fil på et SD-kort (medfølger). Hielscher leverer trykregulatorer til at indstille og opretholde driftstrykket.
Som standard er Hielschers tryktætte testceller til test af kavitationserosion dimensioneret til op til 5barg (73psig). Højere tryk på op til 300barg (4350psig) kan leveres på forespørgsel.

Ultralydsfrekvens

Generelt bruger test af kavitationserosion ultralyd med lav frekvens og høj intensitet i intervallet 18–30kHz. I dette interval har variationen i frekvensen meget begrænset indvirkning på kavitationsintensiteten. Alle apparater fra Hielscher arbejder ved en konstant frekvens.

Afstand fra sonotroden

Det materiale, der skal testes, kan monteres på sonotroden eller under sonotroden. Du kan fremstille et prøveemne af materialet med gevind og montere det på enden af ultralydssonotroden. I dette tilfælde vibrerer prøveemnet med den angivne ultralydsamplitude og frembringer kavitation på sin overflade. Dette kræver præcisionsbearbejdning, og ikke alle materialer er egnede til denne mulighed.
Alternativt kan du fastgøre en del eller et prøveemne tæt under en titaniumsonotrode. I dette tilfælde frembringer titaniumsonotroden kavitationen, og materialeoverfladen udsættes for kavitationen. Dette er den mere praktiske mulighed, da du kan placere prøveemner af forskellige størrelser eller former i testcellen. Hvis du bruger en større sonotrode, såsom en sonotrode med en diameter på 50mm eller 80mm, kan du udsætte flere dele for kavitationserosion på samme tid. Dette er meget nyttigt, når du skal teste mange dele om dagen, f.eks. til kvalitetskontrol.
I begge tilfælde er afstanden mellem ultralydssonotroden og materialeoverfladen ved siden af den meget vigtig. Generelt sker kavitationserosion hurtigere ved en mindre afstand. Typiske afstande ligger mellem 0,2 og 15mm. For at opnå entydige resultater bør du bruge den samme afstand til alle test.

Væsketemperatur

Varmere væske medfører lavere ultralydskavitationsintensitet. Tilførsel af mekanisk vibrationsenergi til væsken får væsken til at blive varmere. For at opretholde en konstant temperatur under hver kavitationserosionstest skal væsken køles. Hielscher leverer beholdere med kappe og tryktætte celler med kappe. Alternativt kan du bruge en kølespiral i et bægerglas eller placere bægerglasset i et isbad. Et kølemiddel, der strømmer gennem kappen eller kølespiralen, fjerner varme fra væsken.
Ultralydsapparater fra Hielscher som UP400St eller UIP1000hdT leveres med en temperaturføler af typen PT100 (medfølger). Ultralydsgeneratoren overvåger løbende den faktiske væsketemperatur og logger temperaturen i en Excel-kompatibel CSV-fil på et SD-kort (medfølger). Du kan indstille generatoren til at sætte kavitationserosionstesten på pause, hvis væsketemperaturen afviger for meget fra din indstillede værdi, f.eks. på grund af utilstrækkelig kølekapacitet. Generatoren kan automatisk genoptage sonikeringen, når væsken igen har nået den angivne temperatur.

Kaviterende væske

Generelt bruges vand, såsom destilleret vand, til test af kavitationserosion. Forskellige væsker har forskellige kavitationsegenskaber. Hvis vand virker korrosivt på dit materiale, kan du vælge at teste alternative væsker såsom silikoneolier med lav viskositet eller organiske opløsningsmidler for at eliminere eller reducere den korrosive faktor. Alternativt kan du gøre væsken mere korrosiv, f.eks. ved at ændre pH, eller mere abrasiv ved at tilsætte slibende partikler. Du kan bruge test af kavitationserosion til at vurdere væskers erosive og korrosive virkning, såsom borevæskers, eller til at vurdere effektiviteten af korrosions- eller erosionsinhibitorer.

Bearbejdning

Når du fremstiller en del eller et prøveemne, forårsager CNC-bearbejdning, slibning eller polering skader på kornstrukturen tæt ved materialeoverfladen. Dette reducerer erosionsbestandigheden.

Passiverings-/oxidlag

Meget ofte sker erosion og korrosion på samme tid. Vand, såsom destilleret, demineraliseret eller deioniseret vand, kan virke korrosivt på mange materialer. Ultralydskavitation fremmer korrosion. Passiveringslag, f.eks. på anodiseret aluminium, øger en materialeoverflades bestandighed mod erosion og korrosion.

Hvilke begrænsninger har test af kavitationserosion?

Nogle elastomerer kan kræve meget intens kavitationseksponering for overhovedet at vise kavitationserosion. I dette tilfælde viser sonikering uden en tryksat celle muligvis ingen målbar effekt.