Praktische Kavitationserosionsprüfungen an Beschichtungen aus Marinebronze

Kavitationserosionsprüfungen sind besonders dann sinnvoll, wenn sie eine kontrollierte Laboruntersuchung mit einem realen technischen Problem verknüpfen. Ein praktisches Beispiel ist die Bewertung kavitationsbeständiger Bronzebeschichtungen für maritime Bauteile wie Schiffsruder und Propeller. Diese Teile werden in Bereichen eingesetzt, in denen lokale Druckschwankungen Dampfblasen erzeugen können, die nahe der Oberfläche zusammenbrechen und wiederholt hochintensive Stoßbelastungen verursachen. Im Laufe der Zeit führt dies zu Lochfraß, Ermüdungsschäden, Beschichtungsversagen und Materialverlust.

Kavitationserosionsprüfung von Bronzebeschichtungen

In der Studie von Hauer et al. wurden Bronzebeschichtungen, die mittels Kalt-, Warm-, HVOF- und Lichtbogenspritzen hergestellt wurden, mit gegossener Nickel-Aluminium-Bronze und Schiffbaustahl verglichen. Die zentrale Frage war einfach: Welches Beschichtungsverfahren kann eine Bronzeoberfläche erzeugen, die der Kavitationsbelastung lange genug standhält, um im maritimen Einsatz eingesetzt zu werden? Um diese Frage zu beantworten, führten die Forscher einen Kavitationserosionstest nach ASTM G32-16 mit einer Vibrationsvorrichtung durch, wobei ein Ultraschall-Vibrationssystem vom Typ Hielscher UIP1000hdT als Testsystem zum Einsatz kam.

Präzise Steuerung der Testbedingungen und automatisierte Datenerfassung

Der Ultraschallapparat UIP1000hdT eignet sich hervorragend für diese Art von Versuchen, da er hochintensiven, niederfrequenten Ultraschall im für Kavitationserosionsversuche üblichen Bereich liefert. Der Kavitationserosionstest mit dem 1000-Watt-Ultraschallgerät arbeitet bei 20 kHz und ermöglicht eine präzise Prozessüberwachung, Amplitudenregelung, Temperaturmessung sowie die automatische Protokollierung der Testdaten. Diese Funktionen sind wichtig, da die Kavitationsintensität stark von der Amplitude, der Flüssigkeitstemperatur, dem Flüssigkeitsdruck, der Sonotrodengeometrie und dem Abstand zwischen Sonotrode und Probe abhängt.

(a) Kavitationserosionsprüfung gemäß ASTM G32-16 mit dem Ultraschallgerät UIP1000hd (indirektes Verfahren). Alle Prüfparameter sind Nennwerte; die Toleranzen sind in der Norm aufgeführt.
(b) Schematische Phasen in der Erosions-Zeit-Kurve und charakteristische Parameter im Prüfverfahren.
Grafiken und Studie: ©Hauer et al., 2021.

Ultraschall-Kavitations-Erosionsprüfung von Bronzebeschichtungen

Im Fall der Marinebronze-Beschichtung wurde der Test in der indirekten ASTM G32-Anordnung durchgeführt. Bei dieser Konfiguration wird die Probe nicht am Schwinghorn befestigt. Stattdessen erzeugt die Ultraschall-Sonotrode Kavitation in destilliertem Wasser, und die beschichtete Probe wird in einem definierten Abstand unterhalb der Sonotrode fixiert. Hauer et al. verwendeten einen Abstand von 0,5 mm zwischen Probe und Sonotrode, eine Frequenz von 20 kHz und eine Spitze-Spitze-Amplitude von 50 µm. Als Testflüssigkeit diente destilliertes Wasser, das auf etwa Raumtemperatur (ca. 25 °C) gehalten wurde.

Die Probenvorbereitung ist ein entscheidender Schritt. Vor der Kavitationsbelastung wurden die beschichteten Oberflächen schrittweise mit einem feinen Diamantschleifmittel auf eine Rauheit von unter 4 µm geschliffen und poliert. Dadurch wird der Einfluss lose haftender Partikel oder Oberflächenunregelmäßigkeiten verringert, die sich andernfalls sofort ablösen und die Erosionskurve verfälschen könnten. Das Ziel besteht nicht darin, die Beschichtung optisch ansprechend zu gestalten, sondern reproduzierbare Ausgangsbedingungen zu schaffen, damit der gemessene Massenverlust die Kavitationsbeständigkeit widerspiegelt und nicht auf eine mangelhafte Oberflächenvorbereitung zurückzuführen ist.

Das Verfahren zur Prüfung der Erosion durch Ultraschallkavitation und dessen Ergebnisse

Das praktische Prüfverfahren ist unkompliziert. Zunächst wird jede Probe gereinigt, getrocknet und auf einer Präzisionswaage gewogen. Anschließend wird sie in der Prüfzelle unterhalb der Sonotrode BS4d22 des Ultraschallgeräts UIP1000hdT befestigt, wobei der Abstand von 0,5 mm sorgfältig und wiederholgenau eingestellt wird. Der Ultraschallapparat wird mit der festgelegten Amplitude und Frequenz betrieben, während die Flüssigkeitstemperatur geregelt wird, um zu verhindern, dass eine Erwärmung die Kavitationsintensität verändert. Nach einer festgelegten Einwirkzeit wird die Probe entnommen, gereinigt, getrocknet und erneut gewogen. Dieser Vorgang wird über zunehmend längere, materialabhängige Einwirkzeiten wiederholt, bis eine vollständige Erosionskurve vorliegt.
Die Rohmessung ist der Massenverlust. Für technische Vergleiche wird dieser Massenverlust unter Verwendung der Materialdichte in einen Volumenverlust umgerechnet. Der Volumenverlust wird dann durch die freiliegende Oberfläche geteilt, um die mittlere Erosionstiefe zu bestimmen. Anhand der Erosions-Tiefen-Kurve kann der Forscher charakteristische Erosionsparameter wie die maximale Erosionsrate, die Enderosionsrate und die mittlere Erosionstiefe berechnen. Hielscher merkt außerdem an, dass die Erosion je nach gewähltem Protokoll als Masse, Volumen oder Eindringtiefe pro Zeiteinheit oder pro zugeführter Ultraschallenergie angegeben werden kann.

Mittlere Erosionstiefen in Abhängigkeit von den angepassten Beschichtungsqualitätsparametern n. Durch das Glühen des Pulvers und die damit verbundene Verringerung der Pulverfestigkeit lassen sich hohe Beschichtungsqualitäten erzielen. Die Einsätze zeigen die Oberflächenschäden, die nach einer Kavitationsprüfdauer von 100 min entstanden sind.
Grafiken und Studie: © Hauer et al., 2021.

Eine wichtige Erkenntnis aus der Studie von Hauer ist, dass frühe Erosionsraten irreführend sein können. Thermisch und kinetisch aufgespritzte Beschichtungen wiesen häufig einen hohen anfänglichen Materialverlust auf, gefolgt von einer niedrigeren, stabileren Erosionsrate. Aus diesem Grund verwendeten Hauer et al. die Enderosionsrate als repräsentativeren Indikator für die langfristige Leistungsfähigkeit der Beschichtung. In ihrem 120-minütigen Vergleich wurde die Enderosionsrate hauptsächlich anhand der zweiten Hälfte des Tests, also ab 60 Minuten, bewertet, um das stabilisierte Verhalten besser zu erfassen.

Die Testergebnisse zeigen, warum eine kontrollierte Vibrationskavitationsanlage von großem Nutzen ist. Bei gegossener Nickel-Aluminium-Bronze wurde eine Enderosionsrate von etwa 0,40 µm/h erreicht. Bei optimierter, im Warmspritzverfahren aufgebrachter Bronze lag der Wert bei 0,57 µm/h und damit nahe am Referenzwert für Gussmaterial. Eine optimierte lichtbogenspritzte Beschichtung auf Schiffbaustahl erreichte etwa 1,02 µm/h, während eine optimierte HVOF-Beschichtung etwa 1,74 µm/h erreichte. Auch wenn diese Beschichtungen nicht ganz an die gegossene Propellerbronze heranreichten, übertrafen sie den Schiffbaustahl doch deutlich; der Studie zufolge wiesen die lichtbogenspritzten und HVOF-gespritzten Beschichtungen eine etwa 26-mal bzw. 16-mal bessere Kavitationsbeständigkeit auf als VL-A-Stahl.

Verwenden Sie einen Sonicator als Schwingungsgerät für Ihre Kavitationserosionsversuche

Die praktische Schlussfolgerung lautet, dass Kavitationserosionsversuche mit dem Ultraschallgerät UIP1000hdT als Schwingungsvorrichtung mehr leisten können als nur eine Einstufung der Werkstoffe. Sie zeigen auf, wie sich Beschichtungsverfahren, Mikrostruktur, Oxidgehalt, Porosität, Grenzflächenhaftung und Nachbehandlung auf das tatsächliche Erosionsverhalten auswirken. Hauer et al. kamen zu dem Schluss, dass HVOF- und Lichtbogenspritzen einen guten Kompromiss zwischen Leistung und Kosten zur Verbesserung von Stahlruderoberflächen bieten, während Kalt- und Warmspritzen vorzuziehen sind, wenn eine Kavitationsbeständigkeit erforderlich ist, die der von massivem Nickel-Aluminium-Bronze nahekommt.

Für Labore und Beschichtungsentwickler liegt der Schlüssel zu reproduzierbaren Ergebnissen in der strengen Kontrolle der Testparameter: Sonotrodenamplitude, Frequenz, Abstand zwischen Sonotrode und Probe, Flüssigkeitstemperatur, Flüssigkeitszusammensetzung, Probenvorbereitung, Wiegeintervalle und Berechnung der Erosionsrate. Sind diese Bedingungen definiert, bietet das Hielscher UIP1000hdT eine praktische und wiederholbare Methode, um Ultraschallkavitation in quantitative Daten zur Beschichtungsleistung umzuwandeln.

Muster-Arbeitsblatt für Kavitationserosionsprüfungen

 
Eine Anleitung für Kavitationserosionsversuche finden Sie hier!

Versuchsaufbau für den Kavitations-Erosions-Test nach ASTM G32

Die Ultraschallgeräte UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT und UIP2000hdT eignen sich für Prüfungen gemäß ASTM G32. Wir können jedes dieser Geräte mit einer präzisen Amplitudenmessprotokoll der mechanischen Amplitude an der Sonotrodenspitze. Wir empfehlen, eines dieser Geräte in Kombination mit einer Sonotrode BS4d22 (Durchmesser 22 mm) und einem Ständer ST2 zu verwenden.

ASTM G32 -16 15.9mm Sonotrode mit austauschbarer Spitze

Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany

Hielscher Ultraschallgeräte sind bekannt für höchste Qualität und Designstandards. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die problemlose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für Hielscher Ultraschallgeräte kein Problem.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Sonicators CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

Literatur / Literaturhinweise