Kavitationserosionsprüfung

Kavitationserosion tritt an Materialoberflächen auf, die intensiver Ultraschallkavitation ausgesetzt sind. Die Kavitationserosionsprüfung ist eine schnelle Methode, um die Erosionsbeständigkeit von Materialien oder Beschichtungen gegenüber intensiver Beanspruchung und anderen Erosionsfaktoren zu messen. Sie ermöglicht eine einfache quantitative Messung zur Qualitätskontrolle und ist bei der Materialforschung oder der Entwicklung von Beschichtungsformulierungen nützlich.

Warum eine Kavitationserosionsprüfung durchführen?

Fortschreitende Erosion oder Korrosion kann einen regelmäßigen Austausch von Bauteilen oder die Erneuerung von Oberflächenbeschichtungen erforderlich machen. Die Erosion von Materialoberflächen durch mechanische oder chemische Einflüsse ist ein langsamer Prozess, der zur allmählichen Zerstörung der Materialoberflächen führt. Daher kann die Bewertung der Erosionsbeständigkeit eines Materials oder der Erosionswirkung von Flüssigkeiten und Suspensionen sehr zeitaufwendig sein.
Bei der ultraschallgestützten Kavitationserosionsprüfung wird die Materialoberfläche kontrollierten, intensiven und wiederkehrenden Belastungszyklen ausgesetzt. Dies führt innerhalb kurzer Zeit zu einer deutlichen Erosion der Materialoberfläche. Sie können die Erosionsbeständigkeit schnell messen – zur regelmäßigen Qualitätskontrolle in der Produktion, zur Bewertung eingehender Materialien oder im Rahmen von Forschung und Entwicklung.
Zu den Standardanwendungen zählen metallurgische Prüfungen, die Prüfung von Beschichtungsformulierungen und Beschichtungsapplikationen sowie die Bewertung von Erosionsinhibitoren in Flüssigkeiten.

Warum verursacht Kavitation Oberflächenerosion?

Ultraschallgeräte wie der UP400St (400 Watt, 24 kHz) oder der UIP1000hdT (1000 Watt, 20 kHz) koppeln Ultraschallschwingungen in Flüssigkeiten wie Wasser ein. Die schnellen Schwingungen in der Flüssigkeit erzeugen Kavitationsblasen und lassen sie kollabieren. Beim Kollaps der Blasen entstehen lokal hohe mechanische Belastungen in der Flüssigkeit und an den ihr ausgesetzten Materialoberflächen. Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 1000 km/h und lokale Drücke von bis zu 1000 atm führen zu einer schnellen Ermüdung an der Materialoberfläche. Dadurch können Oxid- oder Passivierungsschichten, Beschichtungen oder Ablagerungen entfernt werden. In festen Materialien wie Stahl, Titan, Aluminium, Kunststoff oder Glas können dadurch Erosionsgrübchen entstehen. Die Kavitationserosionsprüfung ist daher ein zerstörendes Prüfverfahren.

Wie funktioniert die Kavitationserosionsprüfung?

Kavitationserosion an Materialoberflächen verursacht einen allmählichen Materialverlust. Sie können den Materialverlust einfach messen, indem Sie das Material vor und nach einer definierten Kavitationserosionsbeanspruchung auf einer Präzisionswaage wiegen. Eine typische Massenänderung bei einer Kavitationserosionsprüfung liegt zwischen 1 und 30 mg. Zur weiteren Standardisierung können Sie den Volumenverlust berechnen, indem Sie den Massenverlust durch die Materialdichte teilen. Die mittlere Eindringtiefe (MDP) wird berechnet, indem der Volumenverlust durch die Oberfläche des Prüfkörpers geteilt wird. Alternativ können Sie die Tiefe der Erosionsgrübchen oder das verdrängte Volumen messen. Durch mikroskopische Analysen können Sie zusätzliche qualitative Informationen über das Erosionsbild gewinnen.
Wenn Sie ein Ultraschallgerät von Hielscher zur Kavitationserosionsprüfung verwenden, können Sie den Temperatur- und Druckbereich vorgeben, in dem Sie arbeiten möchten. Die Beschallungsamplitude lässt sich einstellen. Alle Parameter werden überwacht, angezeigt und auf einer SD-Karte protokolliert. Die Installation proprietärer Software ist nicht erforderlich. Auf Wunsch können Sie den Ultraschallprozess über Ihren üblichen Webbrowser steuern und überwachen, wenn Sie das Ultraschallgerät über das mitgelieferte Ethernet-Kabel mit Ihrem Computer verbinden.

Was ist das Standardverfahren nach ASTM G32 zur Kavitationserosionsprüfung mit einem Schwingungsgerät?

Die Norm ASTM G32-16 beschreibt ein standardisiertes Verfahren zur Kavitationserosionsprüfung. Sie definiert eine einfache, kontrollierbare und reproduzierbare Prüfung, um die Kavitationserosionsbeständigkeit verschiedener Materialien zu quantifizieren und zu vergleichen. Die Vorgaben der ATSM G32-16 sind hilfreich, um Ihre Ergebnisse mit denen anderer Veröffentlichungen zu vergleichen. Wenn Sie die Kavitationserosionsprüfung in der Qualitätskontrolle einsetzen möchten, empfehlen wir, den Prüfablauf an Ihre spezifischen Anforderungen anzupassen. Gerne unterstützen wir Sie bei der Ausarbeitung eines individuell angepassten Prüfablaufs für die Kavitationserosionsprüfung. Für weitere Informationen zur Kavitationserosionsprüfung nach ASTM-G32 klicken Sie bitte hier!

Warum sollte ich einen Energiegrenzwert statt einer Zeitbegrenzung verwenden?

Viele Veröffentlichungen und Erosionsprüfvorschriften geben eine Kavitationsbeanspruchungsdauer vor. Bei Ultraschallgeräten von Hielscher können Sie eine Beschallungsdauer einstellen; nach Ablauf dieser Zeit stoppt das System. Anschließend können Sie die resultierende Kavitationserosionsrate in mm/hr oder mm3/hr berechnen. Eine Zeitbegrenzung ist nur dann geeignet, wenn Sie keine Parameter wie Flüssigkeitsstand, Amplitude, Druck, Temperatur, Flüssigkeitszusammensetzung oder den Abstand zwischen Sonotrode und Materialoberfläche verändern. Ändert sich einer dieser Parameter, ändern sich auch die Beschallungsleistung und die Kavitationsintensität. Entscheidend ist, dass die tatsächlich in die Flüssigkeit eingetragene Nettoleistung während der Prüfung nicht schwanken darf.
Bei Ultraschallgeräten von Hielscher können Sie einen Energiegrenzwert einstellen. In diesem Fall stoppt das Ultraschallgerät, sobald es die vorgegebene Ultraschallenergie eingetragen hat. Das Gerät von Hielscher zeigt Parameter wie die tatsächliche Nettoleistung, Amplitude, Druck und Flüssigkeitstemperatur an und zeichnet sie auf. Bei Verwendung eines Energiegrenzwerts werden Leistungsschwankungen oder bewusste Änderungen von Parametern ausgeglichen. Die resultierende Kavitationserosionsrate können Sie dann in mm/kWhr, mm3/kWhr oder mg/kWhr angeben.
Wenn Sie den Prüfkörper zwischen den Kavitationserosionsintervallen wiegen, können Sie eine Kurve erstellen, die den inkrementellen Massenverlust (Massenverlustrate in jedem Energieintervall) über der kumulierten Energie darstellt.
Für präzisere Ergebnisse kann das Gerät eine automatische Kalibrierung durchführen (30 Sekunden). Dabei wird die Leistung für alle Amplitudeneinstellungen in Luft bei Umgebungsdruck gemessen. Das Gerät von Hielscher verwendet diese Kalibrierdaten, um sehr präzise Nettoleistungswerte in Echtzeit bereitzustellen.

Flüssigkeitsdruck während der Beschallung

Viele Standardprüfvorschriften für die Kavitationserosionsprüfung verwenden Ultraschallkavitation bei Umgebungsdruck. Der Flüssigkeitsdruck ist der zweitwichtigste Faktor für die Beschallungsintensität. Eine Erhöhung des Umgebungsdrucks um 10 % erhöht die Beschallungsintensität um etwa 10 %. Intensivere Kavitation verkürzt die Zeit, die zum Erreichen eines bestimmten Grades an Kavitationserosion benötigt wird. Die Prüfung eines einzelnen Prüfkörpers dauert häufig zwischen 15 und 120 Minuten. Wenn Sie viele Prüfkörper prüfen müssen, kann das Arbeiten bei höheren Drücken die Dauer jeder Prüfung erheblich verkürzen. Prüfungen bei 5 barg (73 psig) benötigen jeweils etwa 80 % weniger Zeit.
Hielscher liefert druckdichte Prüfzellen mit einem digitalen Drucksensor für die Kavitationserosionsprüfung. Mit einer druckdichten Zelle können Sie den Druck während jeder Prüfung regeln und aufrechterhalten. Der Ultraschallgenerator überwacht den Drucksensor kontinuierlich und protokolliert den tatsächlichen Druck in einer Excel-kompatiblen CSV-Datei auf einer mitgelieferten SD-Karte. Hielscher liefert Druckregler zum Einstellen und Aufrechterhalten des Betriebsdrucks.
Die druckdichten Prüfzellen von Hielscher für die Kavitationserosionsprüfung sind standardmäßig für bis zu 5 barg (73 psig) ausgelegt. Höhere Drücke von bis zu 300 barg (4350 psig) sind auf Anfrage möglich.

Ultraschallfrequenz

Bei der Kavitationserosionsprüfung wird in der Regel niederfrequenter Ultraschall hoher Intensität im Bereich von 18–30 kHz eingesetzt. In diesem Bereich wirkt sich eine Änderung der Frequenz nur sehr geringfügig auf die Kavitationsintensität aus. Alle Geräte von Hielscher arbeiten mit einer konstanten Frequenz.

Abstand zur Sonotrode

Das zu prüfende Material kann an der Sonotrode oder unterhalb der Sonotrode befestigt werden. Sie können einen Materialprüfkörper mit Gewinde fertigen und am Ende der Ultraschallsonotrode montieren. In diesem Fall schwingt der Prüfkörper mit der vorgegebenen Ultraschallamplitude und erzeugt Kavitation an seiner Oberfläche. Dies erfordert eine präzise mechanische Bearbeitung, und nicht alle Materialien eignen sich für diese Variante.
Alternativ können Sie ein Bauteil oder einen Prüfkörper in geringem Abstand unterhalb einer Titansonotrode fixieren. In diesem Fall erzeugt die Titansonotrode die Kavitation, und die Materialoberfläche wird dieser Kavitation ausgesetzt. Diese Variante ist praktischer, da Sie Prüfkörper verschiedener Größen oder Formen in der Prüfzelle platzieren können. Wenn Sie eine größere Sonotrode verwenden, etwa mit einem Durchmesser von 50 mm oder 80 mm, können Sie mehrere Bauteile gleichzeitig der Kavitationserosion aussetzen. Dies ist sehr hilfreich, wenn Sie täglich viele Bauteile prüfen müssen, beispielsweise zur Qualitätskontrolle.
In beiden Fällen ist der Abstand zwischen der Ultraschallsonotrode und der benachbarten Materialoberfläche sehr wichtig. Im Allgemeinen schreitet die Kavitationserosion bei einem geringeren Abstand schneller voran. Typische Abstände liegen zwischen 0,2 und 15 mm. Für aussagekräftige Ergebnisse sollten Sie bei allen Prüfungen denselben Abstand verwenden.

Flüssigkeitstemperatur

Eine wärmere Flüssigkeit führt zu einer geringeren Intensität der Ultraschallkavitation. Durch den Eintrag mechanischer Schwingungsenergie in die Flüssigkeit erwärmt sich diese. Um bei jeder Kavitationserosionsprüfung eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten, muss die Flüssigkeit gekühlt werden. Hielscher liefert doppelwandige Behälter und doppelwandige druckdichte Zellen. Alternativ können Sie eine Kühlschlange in einem Becherglas verwenden oder das Becherglas in ein Eisbad stellen. Ein Kühlmittel, das durch den Mantel oder die Kühlschlange fließt, führt Wärme aus der Flüssigkeit ab.
Ultraschallgeräte von Hielscher wie der UP400St oder der UIP1000hdT werden mit einem PT100-Temperaturfühler geliefert. Der Ultraschallgenerator überwacht kontinuierlich die tatsächliche Flüssigkeitstemperatur und protokolliert die Temperatur in einer Excel-kompatiblen CSV-Datei auf einer mitgelieferten SD-Karte. Sie können den Generator so einstellen, dass er die Kavitationserosionsprüfung unterbricht, wenn die Flüssigkeitstemperatur zu stark von Ihrem Sollwert abweicht, beispielsweise aufgrund unzureichender Kühlleistung. Der Generator kann die Beschallung automatisch fortsetzen, sobald die Flüssigkeit die vorgegebene Temperatur wieder erreicht hat.

Kavitierende Flüssigkeit

Bei der Kavitationserosionsprüfung wird in der Regel Wasser verwendet, beispielsweise destilliertes Wasser. Verschiedene Flüssigkeiten weisen unterschiedliche Kavitationseigenschaften auf. Wenn Wasser auf Ihr Material korrosiv wirkt, können Sie alternative Flüssigkeiten wie niedrigviskose Silikonöle oder organische Lösungsmittel prüfen, um den korrosiven Einfluss auszuschließen oder zu verringern. Alternativ können Sie die korrosive Wirkung der Flüssigkeit verstärken, beispielsweise durch Änderung des pH-Werts, oder ihre abrasive Wirkung durch Zugabe abrasiver Partikel erhöhen. Mit der Kavitationserosionsprüfung können Sie die erosive und korrosive Wirkung von Flüssigkeiten wie Bohrspülungen oder die Wirksamkeit von Korrosions- oder Erosionsinhibitoren bewerten.

Mechanische Bearbeitung

Bei der Herstellung eines Bauteils oder Prüfkörpers verursachen CNC-Bearbeitung, Schleifen oder Polieren Schäden am Korngefüge nahe der Materialoberfläche. Dadurch verringert sich die Erosionsbeständigkeit.

Passivierungs- und Oxidschichten

Sehr häufig treten Erosion und Korrosion gleichzeitig auf. Wasser, beispielsweise destilliertes, demineralisiertes oder deionisiertes Wasser, kann auf viele Materialien korrosiv wirken. Ultraschallkavitation fördert die Korrosion. Passivierungsschichten, beispielsweise auf eloxiertem Aluminium, erhöhen die Beständigkeit einer Materialoberfläche gegenüber Erosion und Korrosion.

Welche Grenzen hat die Kavitationserosionsprüfung?

Einige Elastomere müssen möglicherweise einer sehr intensiven Kavitation ausgesetzt werden, um überhaupt Kavitationserosion zu zeigen. In diesem Fall zeigt eine Beschallung ohne druckbeaufschlagte Zelle möglicherweise keine messbare Wirkung.