Praxisnahe Kavitationserosionsprüfung von Bronzebeschichtungen für maritime Anwendungen

Kavitationserosionsprüfungen sind besonders nützlich, wenn sie eine kontrollierte Belastung im Labor mit einer konkreten technischen Problemstellung verbinden. Ein praktisches Beispiel ist die Bewertung kavitationsbeständiger Bronzebeschichtungen für maritime Bauteile wie Schiffsruder und Propeller. Diese Bauteile arbeiten in Bereichen, in denen lokale Druckschwankungen Dampfblasen erzeugen können, die nahe der Oberfläche kollabieren und wiederholt hochintensive Stoßbelastungen verursachen. Mit der Zeit führt dies zu Grübchenbildung, Ermüdungsschäden, Beschichtungsversagen und Materialverlust.

Kavitationserosionsprüfung von Bronzebeschichtungen

In der Studie von Hauer et al. wurden Bronzebeschichtungen, die durch Kaltgasspritzen, Warmgasspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) und Lichtbogenspritzen hergestellt wurden, mit gegossener Nickel-Aluminium-Bronze und Schiffbaustahl verglichen. Die zentrale Frage war einfach: Mit welchem Beschichtungsverfahren lässt sich eine Bronzeoberfläche herstellen, die der Kavitationsbelastung lange genug für den maritimen Einsatz standhält? Zur Beantwortung dieser Frage führten die Forschenden eine Kavitationserosionsprüfung auf Grundlage von ASTM G32-16 mit einem Schwingungsprüfgerät durch, wobei ein Ultraschallschwingungssystem UIP1000hdT von Hielscher als Prüfsystem eingesetzt wurde.

Präzise Kontrolle der Prüfbedingungen und automatische Datenaufzeichnung

Das Ultraschallgerät UIP1000hdT eignet sich gut für diese Art von Prüfung, da es hochintensiven, niederfrequenten Ultraschall in dem für Kavitationserosionsprüfungen verwendeten Bereich erzeugt. Der Versuchsaufbau zur Kavitationserosionsprüfung mit dem 1000-Watt-Ultraschallgerät arbeitet bei 20 kHz und ermöglicht eine präzise Prozessüberwachung, Amplitudenregelung, Temperaturmessung und automatische Protokollierung der Prüfdaten. 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 nach ASTM G32-16 mit dem Ultraschallgerät UIP1000hd (indirekte Methode). Alle Prüfparameter sind Nennwerte; die Toleranzen sind in der Norm aufgeführt.
(b) Schematische Phasen der Erosions-Zeit-Kurve und charakteristische Parameter des Prüfverfahrens.
Grafiken und Studie: ©Hauer et al., 2021.

Ultraschallgestützte Kavitationserosionsprüfung von Bronzebeschichtungen

Im Beispiel der Bronzebeschichtungen für maritime Anwendungen wurde die Prüfung in der indirekten Anordnung nach ASTM G32 durchgeführt. In dieser Konfiguration ist die Probe nicht an der schwingenden Sonotrode befestigt. Stattdessen erzeugt die Ultraschallsonotrode Kavitation in destilliertem Wasser, und die beschichtete Probe wird mit 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 Prüfflüssigkeit diente destilliertes Wasser, das bei etwa Raumtemperatur, rund 25 °C, gehalten wurde.

Die Probenpräparation ist ein entscheidender Schritt. Vor der Kavitationsbelastung wurden die beschichteten Oberflächen stufenweise geschliffen und poliert, zuletzt mit einem feinen Diamantschleifmittel mit einer Korngröße unter 4 µm. Dadurch wird der Einfluss lose anhaftender Partikel oder von Oberflächenunregelmäßigkeiten verringert, die sich sonst sofort ablösen und die Erosionskurve verfälschen könnten. Ziel ist nicht ein gutes Aussehen der Beschichtung, sondern ein reproduzierbarer Ausgangszustand, sodass der gemessene Massenverlust die Kavitationsbeständigkeit widerspiegelt und nicht eine mangelhafte Oberflächenpräparation.

Ablauf und Ergebnisse der ultraschallgestützten Kavitationserosionsprüfung

Der praktische Prüfablauf 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 montiert, wobei der Abstand von 0,5 mm sorgfältig und reproduzierbar eingestellt wird. Das Ultraschallgerät wird mit der festgelegten Amplitude und Frequenz betrieben, während die Flüssigkeitstemperatur geregelt wird, um eine Veränderung der Kavitationsintensität durch Erwärmung zu verhindern. Nach einem definierten Belastungsintervall wird die Probe entnommen, gereinigt, getrocknet und erneut gewogen. Diese Abfolge wird mit zunehmenden, materialabhängigen Belastungsintervallen wiederholt, bis eine vollständige Erosionskurve vorliegt.
Die unmittelbar gemessene Größe ist der Massenverlust. Für einen technischen Vergleich wird dieser Massenverlust mithilfe der Materialdichte in einen Volumenverlust umgerechnet. Der Volumenverlust wird anschließend durch die exponierte Fläche geteilt, um die mittlere Erosionstiefe zu bestimmen. Aus der Erosionstiefenkurve können die Forschenden charakteristische Erosionsparameter wie die maximale Erosionsrate, die terminale Erosionsrate und die mittlere Erosionstiefe berechnen. Hielscher weist außerdem darauf hin, dass die Erosion je nach gewähltem Prüfprotokoll als Masse, Volumen oder Eindringtiefe pro Zeiteinheit oder pro zugeführter Ultraschallenergie angegeben werden kann.

Mittlere Erosionstiefen als Funktion der eingestellten Beschichtungsqualitätsparameter n. Das Glühen des Pulvers und die dadurch verringerte Pulverfestigkeit ermöglichen hohe Beschichtungsqualitäten. Die eingefügten Abbildungen zeigen die Oberflächenschäden nach einer Kavitationsprüfdauer von 100min.
Diagramme und Studie: ©Hauer et al., 2021.

Eine wichtige Erkenntnis aus der Studie von Hauer ist, dass anfängliche Erosionsraten irreführend sein können. Thermisch und kinetisch gespritzte Beschichtungen zeigten häufig einen hohen anfänglichen Materialverlust, gefolgt von einer niedrigeren, stabileren Erosionsrate. Aus diesem Grund verwendeten Hauer et al. die terminale Erosionsrate als repräsentativeren Indikator für das Langzeitverhalten der Beschichtungen. In ihrem Vergleich über 120 Minuten wurde die terminale Erosionsrate hauptsächlich anhand der zweiten Hälfte der Prüfung, nach mehr als 60 Minuten, ausgewertet, um das stabilisierte Verhalten besser zu erfassen.

Die Prüfergebnisse zeigen, warum ein kontrolliertes Schwingungsprüfgerät zur Kavitationserzeugung wertvoll ist. Gegossene Nickel-Aluminium-Bronze erreichte eine terminale Erosionsrate von etwa 0,40 µm/h. Optimierte warmgasgespritzte Bronze erreichte 0,57 µm/h und lag damit nahe an der gegossenen Referenz. Eine optimierte lichtbogengespritzte 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 das Niveau gegossener Propellerbronze erreichten, waren sie Schiffbaustahl deutlich überlegen; die Studie berichtet, dass lichtbogengespritzte beziehungsweise HVOF-gespritzte Beschichtungen eine etwa 26-fach beziehungsweise 16-fach bessere Kavitationsbeständigkeit als VL-A-Stahl erreichten.

Verwenden Sie ein Ultraschallgerät als Schwingungsprüfgerät für Ihre Kavitationserosionsprüfungen

Die praktische Schlussfolgerung lautet, dass Kavitationserosionsprüfungen mit dem Ultraschallgerät UIP1000hdT als Schwingungsprüfgerät mehr leisten können, als eine Rangfolge von Materialien zu erstellen. Sie zeigen, wie Beschichtungsverfahren, Mikrostruktur, Oxidgehalt, Porosität, Grenzflächenhaftung und Nachbehandlung das tatsächliche Erosionsverhalten beeinflussen. Hauer et al. kamen zu dem Schluss, dass HVOF- und Lichtbogenspritzen einen guten Kompromiss zwischen Leistung und Kosten zur Verbesserung von Stahlruderoberflächen bieten können, während Kaltgas- und Warmgasspritzen bevorzugt werden, wenn eine Kavitationsbeständigkeit nahe der von massiver Nickel-Aluminium-Bronze erforderlich ist.

Für Labore und Beschichtungsentwickler liegt der Schlüssel zu reproduzierbaren Ergebnissen in der strikten Kontrolle der Prüfparameter: Sonotrodenamplitude, Frequenz, Abstand zwischen Sonotrode und Probe, Flüssigkeitstemperatur, chemische Eigenschaften der Flüssigkeit, Probenpräparation, Wägeintervalle und Berechnung der Erosionsrate. Sind diese Bedingungen definiert, bietet der UIP1000hdT von Hielscher eine praktische und reproduzierbare Möglichkeit, Ultraschallkavitation in quantitative Daten zum Beschichtungsverhalten umzusetzen.

Beispiel eines Arbeitsblatts zur Kavitationserosionsprüfung

 
Hier finden Sie Anleitungen für Kavitationserosionsprüfungen!

Versuchsaufbau zur Kavitationserosionsprüfung nach ASTM G32

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

ASTM G32 -16: Sonotrode mit 15,9mm Durchmesser und austauschbarer Spitze

Entwicklung, Fertigung und Beratung – Qualität Made in Germany

Ultraschallgeräte von Hielscher sind für ihre höchsten Qualitäts- und Konstruktionsstandards bekannt. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die reibungslose Integration unserer Ultraschallgeräte in Industrieanlagen. Ultraschallgeräte von Hielscher bewältigen raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen problemlos.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf leistungsstarke Ultraschallgeräte mit modernster Technologie und Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

Literatur / Referenzen

• 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.