Πρακτικές δοκιμές διάβρωσης από σπηλαίωση σε επικαλύψεις μπρούντζου για ναυτικές εφαρμογές

Οι δοκιμές διάβρωσης από σπηλαίωση είναι πιο χρήσιμες όταν συνδέουν μια ελεγχόμενη εργαστηριακή έκθεση με ένα πραγματικό πρόβλημα μηχανικής. Ένα πρακτικό παράδειγμα είναι η αξιολόγηση επικαλύψεων μπρούντζου ανθεκτικών στη σπηλαίωση για ναυτικά εξαρτήματα, όπως πηδάλια και έλικες πλοίων. Αυτά τα εξαρτήματα λειτουργούν σε ζώνες όπου οι τοπικές διακυμάνσεις της πίεσης μπορούν να δημιουργήσουν φυσαλίδες ατμού που καταρρέουν κοντά στην επιφάνεια, προκαλώντας επαναλαμβανόμενα κρουστικά φορτία υψηλής έντασης. Με την πάροδο του χρόνου, αυτό προκαλεί σχηματισμό κοιλωμάτων, βλάβες κόπωσης, αστοχία της επικάλυψης και απώλεια υλικού.

Δοκιμή διάβρωσης από σπηλαίωση σε επικαλύψεις μπρούντζου

Στη μελέτη των Hauer et al., επικαλύψεις μπρούντζου που παρήχθησαν με ψυχρό ψεκασμό, θερμό ψεκασμό, ψεκασμό HVOF και ψεκασμό τόξου συγκρίθηκαν με χυτό μπρούντζο νικελίου-αλουμινίου και ναυπηγικό χάλυβα. Το κεντρικό ερώτημα ήταν απλό: ποια διεργασία επικάλυψης μπορεί να παραγάγει μια επιφάνεια μπρούντζου που αντέχει στην έκθεση σε σπηλαίωση για αρκετό χρόνο ώστε να χρησιμοποιηθεί σε ναυτικές εφαρμογές; Για να το απαντήσουν, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια δοκιμή διάβρωσης από σπηλαίωση βασισμένη στο ASTM G32-16 με συσκευή δόνησης, συμπεριλαμβανομένου ενός συστήματος υπερηχητικής δόνησης Hielscher UIP1000hdT ως συστήματος δοκιμών.

Ακριβής έλεγχος των συνθηκών δοκιμής και αυτοματοποιημένη καταγραφή δεδομένων

Η συσκευή υπερήχων UIP1000hdT είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για αυτόν τον τύπο δοκιμής, επειδή παρέχει υπερήχους υψηλής έντασης και χαμηλής συχνότητας στο εύρος που χρησιμοποιείται για δοκιμές διάβρωσης από σπηλαίωση. Η διάταξη δοκιμής διάβρωσης από σπηλαίωση που χρησιμοποιεί τη συσκευή υπερήχων ισχύος 1000 watt λειτουργεί στα 20 kHz και επιτρέπει την ακριβή παρακολούθηση της διεργασίας, τον έλεγχο του πλάτους ταλάντωσης, τη μέτρηση της θερμοκρασίας και την αυτόματη καταγραφή των δεδομένων της δοκιμής. Αυτές οι λειτουργίες είναι σημαντικές, επειδή η ένταση της σπηλαίωσης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το πλάτος ταλάντωσης, τη θερμοκρασία του υγρού, την πίεση του υγρού, τη γεωμετρία του ηχοτροδίου και την απόσταση μεταξύ του ηχοτροδίου και του δοκιμίου.

(a) Δοκιμή διάβρωσης από σπηλαίωση σύμφωνα με το ASTM G32-16 με συσκευή υπερήχων UIP1000hd (έμμεση μέθοδος). Όλες οι παράμετροι της δοκιμής είναι ονομαστικές τιμές· οι ανοχές παρατίθενται στο πρότυπο.
(b) Σχηματική απεικόνιση των φάσεων στην καμπύλη διάβρωσης–χρόνου και των χαρακτηριστικών παραμέτρων της διαδικασίας δοκιμής.
Γραφικά και μελέτη: ©Hauer et al., 2021.

Δοκιμή διάβρωσης από υπερηχητική σπηλαίωση σε επικαλύψεις μπρούντζου

Για το παράδειγμα της επικάλυψης μπρούντζου για ναυτικές εφαρμογές, η δοκιμή πραγματοποιήθηκε με την έμμεση διάταξη του ASTM G32. Σε αυτή τη διαμόρφωση, το δοκίμιο δεν στερεώνεται στο δονούμενο κέρας. Αντί γι’ αυτό, το ηχοτρόδιο υπερήχων δημιουργεί σπηλαίωση σε αποσταγμένο νερό και το επικαλυμμένο δοκίμιο στερεώνεται κάτω από το ηχοτρόδιο με καθορισμένο διάκενο. Οι Hauer et al. χρησιμοποίησαν απόσταση 0,5 mm μεταξύ δείγματος και ηχοτροδίου, συχνότητα 20 kHz και πλάτος ταλάντωσης από κορυφή σε κορυφή 50 µm. Το υγρό της δοκιμής ήταν αποσταγμένο νερό, το οποίο διατηρούνταν περίπου σε θερμοκρασία δωματίου, γύρω στους 25 °C.

Η προετοιμασία του δοκιμίου είναι ένα κρίσιμο βήμα. Πριν από την έκθεση σε σπηλαίωση, οι επικαλυμμένες επιφάνειες υποβλήθηκαν σταδιακά σε λείανση και στίλβωση, με τελικό στάδιο τη χρήση λεπτόκοκκου διαμαντένιου λειαντικού κάτω των 4 µm. Αυτό μειώνει την επίδραση των χαλαρά προσκολλημένων σωματιδίων ή των επιφανειακών ανωμαλιών που διαφορετικά θα μπορούσαν να αποκολληθούν αμέσως και να αλλοιώσουν την καμπύλη διάβρωσης. Ο στόχος δεν είναι να βελτιωθεί η εμφάνιση της επικάλυψης, αλλά να δημιουργηθεί μια αναπαραγώγιμη αρχική κατάσταση, ώστε η μετρούμενη απώλεια μάζας να αντανακλά την αντοχή στη σπηλαίωση και όχι την ανεπαρκή προετοιμασία της επιφάνειας.

Η διαδικασία δοκιμής διάβρωσης από υπερηχητική σπηλαίωση και τα αποτελέσματά της

Η πρακτική διαδικασία της δοκιμής είναι απλή. Αρχικά, κάθε δοκίμιο καθαρίζεται, ξηραίνεται και ζυγίζεται σε ζυγό ακριβείας. Στη συνέχεια στερεώνεται στην κυψελίδα δοκιμής κάτω από το ηχοτρόδιο BS4d22 της συσκευής υπερήχων UIP1000hdT, με το διάκενο των 0,5 mm να ρυθμίζεται προσεκτικά και με επαναλήψιμο τρόπο. Η συσκευή υπερήχων λειτουργεί στο καθορισμένο πλάτος ταλάντωσης και στην καθορισμένη συχνότητα, ενώ η θερμοκρασία του υγρού ελέγχεται ώστε να αποτρέπεται η μεταβολή της έντασης της σπηλαίωσης λόγω θέρμανσης. Μετά από ένα καθορισμένο χρονικό διάστημα έκθεσης, το δοκίμιο αφαιρείται, καθαρίζεται, ξηραίνεται και ζυγίζεται ξανά. Αυτή η ακολουθία επαναλαμβάνεται με αυξανόμενα χρονικά διαστήματα έκθεσης, τα οποία εξαρτώνται από το υλικό, έως ότου προκύψει μια πλήρης καμπύλη διάβρωσης.
Το πρωτογενές μετρούμενο μέγεθος είναι η απώλεια μάζας. Για τη σύγκριση από τεχνική άποψη, αυτή η απώλεια μάζας μετατρέπεται σε απώλεια όγκου με χρήση της πυκνότητας του υλικού. Στη συνέχεια, η απώλεια όγκου διαιρείται με το εμβαδόν της εκτεθειμένης επιφάνειας για να προσδιοριστεί το μέσο βάθος διάβρωσης. Από την καμπύλη βάθους διάβρωσης, ο ερευνητής μπορεί να υπολογίσει χαρακτηριστικές παραμέτρους διάβρωσης, όπως τον μέγιστο ρυθμό διάβρωσης, τον τελικό ρυθμό διάβρωσης και το μέσο βάθος διάβρωσης. Η Hielscher επισημαίνει επίσης ότι η διάβρωση μπορεί να εκφραστεί ως μάζα, όγκος ή βάθος διείσδυσης ανά μονάδα χρόνου ή ανά μονάδα παρεχόμενης ενέργειας υπερήχων, ανάλογα με το επιλεγμένο πρωτόκολλο.

Μέσα βάθη διάβρωσης ως συνάρτηση των προσαρμοσμένων παραμέτρων ποιότητας της επίστρωσης n. Η ανόπτηση της σκόνης και η συνεπακόλουθη μείωση της αντοχής της επιτρέπουν την επίτευξη υψηλής ποιότητας επιστρώσεων. Οι ένθετες εικόνες δείχνουν την επιφανειακή βλάβη που προέκυψε μετά από χρόνο δοκιμής σπηλαίωσης 100min.
Γραφήματα και μελέτη: ©Hauer et al., 2021.

Ένα σημαντικό δίδαγμα από τη μελέτη των Hauer και συνεργατών είναι ότι οι αρχικοί ρυθμοί διάβρωσης μπορεί να είναι παραπλανητικοί. Οι επιστρώσεις που εφαρμόστηκαν με θερμικό και κινητικό ψεκασμό συχνά παρουσίαζαν υψηλή αρχική απώλεια υλικού, ακολουθούμενη από χαμηλότερο, πιο σταθερό ρυθμό διάβρωσης. Για τον λόγο αυτό, οι Hauer και συνεργάτες χρησιμοποίησαν τον τελικό ρυθμό διάβρωσης ως πιο αντιπροσωπευτικό δείκτη της μακροχρόνιας απόδοσης της επίστρωσης. Στη σύγκριση διάρκειας 120 λεπτών, ο τελικός ρυθμός διάβρωσης αξιολογήθηκε κυρίως από το δεύτερο μισό της δοκιμής, μετά τα 60 λεπτά, ώστε να αποτυπωθεί καλύτερα η σταθεροποιημένη συμπεριφορά.

Τα αποτελέσματα των δοκιμών δείχνουν γιατί είναι πολύτιμη μια ελεγχόμενη συσκευή σπηλαίωσης με ταλάντωση. Ο χυτός μπρούντζος νικελίου-αλουμινίου πέτυχε τελικό ρυθμό διάβρωσης περίπου 0,40 µm/h. Ο βελτιστοποιημένος μπρούντζος που εφαρμόστηκε με θερμό ψεκασμό έφτασε τα 0,57 µm/h, κοντά στο χυτό υλικό αναφοράς. Μια βελτιστοποιημένη επίστρωση που εφαρμόστηκε με ψεκασμό τόξου σε ναυπηγικό χάλυβα έφτασε περίπου τα 1,02 µm/h, ενώ μια βελτιστοποιημένη επίστρωση HVOF έφτασε περίπου τα 1,74 µm/h. Ακόμη και όταν αυτές οι επιστρώσεις δεν έφταναν πλήρως την απόδοση του χυτού μπρούντζου προπελών, υπερείχαν θεαματικά του ναυπηγικού χάλυβα· η μελέτη αναφέρει ότι οι επιστρώσεις που εφαρμόστηκαν με ψεκασμό τόξου και ψεκασμό HVOF πέτυχαν περίπου 26 φορές και 16 φορές καλύτερη αντοχή στη σπηλαίωση, αντίστοιχα, από τον χάλυβα VL-A.

Χρησιμοποιήστε μια συσκευή υπερήχων ως συσκευή ταλάντωσης για τις δοκιμές διάβρωσης λόγω σπηλαίωσης

Το πρακτικό συμπέρασμα είναι ότι η δοκιμή διάβρωσης λόγω σπηλαίωσης με τη συσκευή υπερήχων UIP1000hdT ως συσκευή ταλάντωσης μπορεί να προσφέρει περισσότερα από την κατάταξη των υλικών. Αποκαλύπτει πώς η διαδικασία επίστρωσης, η μικροδομή, η περιεκτικότητα σε οξείδια, το πορώδες, η πρόσφυση στη διεπιφάνεια και η μετέπειτα κατεργασία επηρεάζουν την πραγματική συμπεριφορά κατά τη διάβρωση. Οι Hauer και συνεργάτες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι ο ψεκασμός HVOF και ο ψεκασμός τόξου μπορούν να προσφέρουν έναν πολύ καλό συμβιβασμό μεταξύ απόδοσης και κόστους για τη βελτίωση των επιφανειών χαλύβδινων πηδαλίων, ενώ ο ψυχρός και ο θερμός ψεκασμός προτιμώνται όταν απαιτείται αντοχή στη σπηλαίωση κοντά σε εκείνη του συμπαγούς μπρούντζου νικελίου-αλουμινίου.

Για τα εργαστήρια και τους φορείς ανάπτυξης επιστρώσεων, το κλειδί για αναπαραγώγιμα αποτελέσματα είναι ο αυστηρός έλεγχος των παραμέτρων της δοκιμής: πλάτος ταλάντωσης του ηχοτροδίου, συχνότητα, απόσταση μεταξύ ηχοτροδίου και δείγματος, θερμοκρασία του υγρού, χημική σύσταση του υγρού, προετοιμασία του δοκιμίου, χρονικά διαστήματα ζύγισης και υπολογισμός του ρυθμού διάβρωσης. Με αυτές τις συνθήκες καθορισμένες, το Hielscher UIP1000hdT παρέχει έναν πρακτικό και επαναλήψιμο τρόπο μετατροπής της σπηλαίωσης που προκαλείται από υπερήχους σε ποσοτικά δεδομένα απόδοσης των επιστρώσεων.

Υπόδειγμα φύλλου εργασίας για δοκιμές διάβρωσης λόγω σπηλαίωσης

 
Μπορείτε να βρείτε οδηγίες για δοκιμές διάβρωσης λόγω σπηλαίωσης εδώ!

Διάταξη δοκιμής διάβρωσης λόγω σπηλαίωσης κατά ASTM G32

Οι συσκευές υπερήχων UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT και UIP2000hdT είναι κατάλληλες για δοκιμές κατά ASTM G32. Μπορούμε να προμηθεύσουμε καθεμία από αυτές τις μονάδες με ένα ακριβές πρωτόκολλο μέτρησης πλάτους για το μηχανικό πλάτος στο άκρο του ηχοτροδίου. Συνιστούμε τη χρήση οποιασδήποτε από αυτές τις συσκευές με ηχοτρόδιο BS4d22 (διάμετρος 22mm) και βάση ST2.

Ηχοτρόδιο 15,9mm με αντικαταστάσιμο άκρο για ASTM G32 -16

Σχεδιασμός, κατασκευή και συμβουλευτικές υπηρεσίες – Ποιότητα κατασκευής από τη Γερμανία

Οι συσκευές υπερήχων Hielscher είναι γνωστές για τα υψηλότερα πρότυπα ποιότητας και σχεδιασμού τους. Η στιβαρότητα και η εύκολη λειτουργία επιτρέπουν την ομαλή ενσωμάτωση των συσκευών υπερήχων μας σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Οι συσκευές υπερήχων Hielscher ανταποκρίνονται με ευκολία σε σκληρές συνθήκες και απαιτητικά περιβάλλοντα.

Η Hielscher Ultrasonics είναι εταιρεία πιστοποιημένη κατά ISO και δίνει ιδιαίτερη έμφαση στις συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων που διαθέτουν τεχνολογία αιχμής και είναι φιλικές προς τον χρήστη. Φυσικά, οι συσκευές υπερήχων Hielscher συμμορφώνονται με το CE και πληρούν τις απαιτήσεις των UL, CSA και RoHs.

Βιβλιογραφία / Αναφορές

• 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.