Πρακτικές δοκιμές διάβρωσης λόγω σπηλαίωσης σε επιστρώσεις από ναυτικό μπρούντζο

Οι δοκιμές διάβρωσης λόγω σπηλαίωσης είναι ιδιαίτερα χρήσιμες όταν συνδέουν μια ελεγχόμενη εργαστηριακή έκθεση με ένα πραγματικό τεχνικό πρόβλημα. Ένα πρακτικό παράδειγμα αποτελεί η αξιολόγηση ανθεκτικών στη σπηλαίωση επιστρώσεων από μπρούντζο για ναυτιλιακά εξαρτήματα, όπως πηδάλια και έλικες πλοίων. Τα εξαρτήματα αυτά λειτουργούν σε ζώνες όπου οι τοπικές διακυμάνσεις της πίεσης μπορούν να δημιουργήσουν φυσαλίδες ατμού που καταρρέουν κοντά στην επιφάνεια, προκαλώντας επαναλαμβανόμενα φορτία κρούσης υψηλής έντασης. Με την πάροδο του χρόνου, αυτό οδηγεί σε διάβρωση, βλάβες λόγω κόπωσης, αστοχία της επίστρωσης και απώλεια υλικού.

Δοκιμή διάβρωσης λόγω σπηλαίωσης σε επιστρώσεις από μπρούντζο

Στη μελέτη των Hauer κ.ά., συγκρίθηκαν επιστρώσεις από μπρούντζο που παρασκευάστηκαν με ψυχρή ψεκαστική επίστρωση, θερμή ψεκαστική επίστρωση, ψεκαστική επίστρωση HVOF και ψεκαστική επίστρωση τόξου, σε σύγκριση με χυτό μπρούντζο νικελίου-αλουμινίου και ναυπηγικό χάλυβα. Το κεντρικό ερώτημα ήταν απλό: ποια μέθοδος επίστρωσης μπορεί να παράγει μια επιφάνεια από μπρούντζο που θα αντέξει στην έκθεση στη σπηλαίωση για αρκετό χρόνο ώστε να αντέξει τη θαλάσσια χρήση; Για να απαντήσουν σε αυτό, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια δοκιμή διάβρωσης λόγω σπηλαίωσης βάσει του προτύπου ASTM G32-16 με μια συσκευή δόνησης, η οποία περιελάμβανε ένα σύστημα υπερηχητικής δόνησης Hielscher UIP1000hdT ως σύστημα δοκιμής.

Ακριβής έλεγχος των συνθηκών δοκιμής και αυτοματοποιημένη καταγραφή δεδομένων

Ο υπερηχητικός μετατροπέας UIP1000hdT είναι ιδιαίτερα κατάλληλος για αυτόν τον τύπο δοκιμής, καθώς παράγει υπερήχους υψηλής έντασης και χαμηλής συχνότητας στο εύρος που χρησιμοποιείται για τις δοκιμές διάβρωσης λόγω σπηλαίωσης. Η διάταξη δοκιμής διάβρωσης λόγω σπηλαίωσης που χρησιμοποιεί τον υπερηχητικό μετατροπέα ισχύος 1000-watt λειτουργεί στα 20 kHz και επιτρέπει την ακριβή παρακολούθηση της διαδικασίας, τον έλεγχο του πλάτους, τη μέτρηση της θερμοκρασίας και την αυτόματη καταγραφή των δεδομένων της δοκιμής. Αυτές οι λειτουργίες είναι σημαντικές, καθώς η ένταση της σπηλαίωσης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το πλάτος, τη θερμοκρασία του υγρού, την πίεση του υγρού, τη γεωμετρία του σονοτροδίου και την απόσταση μεταξύ του σονοτροδίου και του δείγματος.

(α) Δοκιμή διάβρωσης λόγω σπηλαίωσης σύμφωνα με το πρότυπο ASTM G32-16 με τη χρήση του υπερηχητικού συστήματος UIP1000hd (έμμεση μέθοδος). Όλες οι παράμετροι της δοκιμής είναι ονομαστικές τιμές· τα όρια ανοχής αναφέρονται στο πρότυπο.
(β) Σχηματικές φάσεις στην καμπύλη διάβρωσης-χρόνου και χαρακτηριστικές παράμετροι της διαδικασίας δοκιμής.
Γραφικά και μελέτη: ©Hauer et al., 2021.

Δοκιμή διάβρωσης λόγω υπερηχητικής σπηλαίωσης σε επιστρώσεις από μπρούντζο

Όσον αφορά το παράδειγμα της επίστρωσης από ναυτικό μπρούντζο, η δοκιμή διεξήχθη σύμφωνα με την έμμεση διάταξη ASTM G32. Σε αυτή τη διάταξη, το δείγμα δεν είναι προσαρτημένο στο δονητικό κέρατο. Αντ’ αυτού, το υπερηχητικό σονοτρόδιο προκαλεί σπηλαίωση σε αποσταγμένο νερό, ενώ το επικαλυμμένο δείγμα στερεώνεται κάτω από το σονοτρόδιο σε καθορισμένη απόσταση. Οι Hauer et al. χρησιμοποίησαν απόσταση 0,5 mm μεταξύ του δείγματος και του σονότροδου, συχνότητα 20 kHz και πλάτος κορυφής-προς-κορυφή 50 µm. Το υγρό δοκιμής ήταν απεσταγμένο νερό, το οποίο διατηρήθηκε σε θερμοκρασία περίπου δωματίου, γύρω στους 25 °C.

Η προετοιμασία των δειγμάτων αποτελεί κρίσιμο στάδιο. Πριν από την έκθεση σε σπηλαίωση, οι επιφάνειες με επίστρωση λειάνθηκαν και γυαλίστηκαν σταδιακά με λεπτό διαμαντένιο λειαντικό κάτω των 4 µm. Αυτό μειώνει την επίδραση των χαλαρά προσκολλημένων σωματιδίων ή των ανωμαλιών της επιφάνειας, τα οποία διαφορετικά θα μπορούσαν να αποκολληθούν αμέσως και να παραμορφώσουν την καμπύλη διάβρωσης. Ο στόχος δεν είναι να βελτιωθεί η εμφάνιση της επίστρωσης, αλλά να δημιουργηθούν αναπαραγώγιμες αρχικές συνθήκες, έτσι ώστε η μετρούμενη απώλεια μάζας να αντανακλά την αντοχή στη σπηλαίωση και όχι την ανεπαρκή προετοιμασία της επιφάνειας.

Η διαδικασία της δοκιμής διάβρωσης μέσω υπερηχητικής σπηλαίωσης και τα αποτελέσματά της

Η διαδικασία της πρακτικής δοκιμής είναι απλή. Αρχικά, κάθε δείγμα καθαρίζεται, στεγνώνεται και ζυγίζεται σε ζυγό ακριβείας. Στη συνέχεια, τοποθετείται στο θάλαμο δοκιμής κάτω από το σονοτρόδιο BS4d22 του υπερηχητικού συστήματος UIP1000hdT, με το διάκενο των 0,5 mm να ρυθμίζεται προσεκτικά και με επαναληψιμότητα. Ο υπερηχητικός μετατροπέας λειτουργεί στο καθορισμένο πλάτος και τη συχνότητα, ενώ η θερμοκρασία του υγρού ελέγχεται ώστε να αποφεύγεται η μεταβολή της έντασης της σπηλαίωσης λόγω θέρμανσης. Μετά από ένα καθορισμένο διάστημα έκθεσης, το δείγμα αφαιρείται, καθαρίζεται, στεγνώνεται και ζυγίζεται εκ νέου. Αυτή η ακολουθία επαναλαμβάνεται με αυξανόμενα, ανάλογα με το υλικό, διαστήματα έκθεσης έως ότου ληφθεί μια πλήρης καμπύλη διάβρωσης.
Η αρχική μέτρηση αφορά την απώλεια μάζας. Για σκοπούς τεχνικής σύγκρισης, η απώλεια μάζας αυτή μετατρέπεται σε απώλεια όγκου με βάση την πυκνότητα του υλικού. Στη συνέχεια, η απώλεια όγκου διαιρείται με την επιφάνεια έκθεσης, προκειμένου να προσδιοριστεί το μέσο βάθος διάβρωσης. Από την καμπύλη βάθους διάβρωσης, ο ερευνητής μπορεί να υπολογίσει χαρακτηριστικές παραμέτρους διάβρωσης, όπως ο μέγιστος ρυθμός διάβρωσης, ο τελικός ρυθμός διάβρωσης και το μέσο βάθος διάβρωσης. Ο Hielscher σημειώνει επίσης ότι η διάβρωση μπορεί να αναφέρεται ως μάζα, όγκος ή βάθος διείσδυσης ανά μονάδα χρόνου ή ανά παραγόμενη υπερηχητική ενέργεια, ανάλογα με το επιλεγμένο πρωτόκολλο.

Μέσα βάθη διάβρωσης ως συνάρτηση των προσαρμοσμένων παραμέτρων ποιότητας επικάλυψης n. Η ανόπτηση της σκόνης και, κατά συνέπεια, η μειωμένη αντοχή της σκόνης επιτρέπουν την επίτευξη υψηλής ποιότητας επικάλυψης. Τα ένθετα απεικονίζουν τη φθορά της επιφάνειας που παρατηρήθηκε μετά από χρόνο δοκιμής σπηλαίωσης 100 λεπτών.
Διαγράμματα και μελέτη: ©Hauer et al., 2021.

Ένα σημαντικό συμπέρασμα από τη μελέτη του Hauer είναι ότι οι αρχικοί ρυθμοί διάβρωσης μπορεί να είναι παραπλανητικοί. Οι επικαλύψεις που εφαρμόστηκαν με θερμική και κινητική ψεκαστική μέθοδο παρουσίαζαν συχνά υψηλή αρχική απώλεια υλικού, ακολουθούμενη από χαμηλότερο, πιο σταθερό ρυθμό διάβρωσης. Για τον λόγο αυτό, οι Hauer et al. χρησιμοποίησαν τον τελικό ρυθμό διάβρωσης ως πιο αντιπροσωπευτικό δείκτη της μακροπρόθεσμης απόδοσης της επικάλυψης. Στη σύγκριση διάρκειας 120 λεπτών που πραγματοποίησαν, ο τελικός ρυθμός διάβρωσης αξιολογήθηκε κυρίως από το δεύτερο μισό της δοκιμής, δηλαδή μετά τα 60 λεπτά, προκειμένου να αποτυπωθεί καλύτερα η σταθεροποιημένη συμπεριφορά.

Τα αποτελέσματα των δοκιμών καταδεικνύουν τη χρησιμότητα μιας συσκευής ελεγχόμενης δονητικής σπηλαίωσης. Ο χυτός μπρούντζος νικελίου-αλουμινίου παρουσίασε τελικό ρυθμό διάβρωσης περίπου 0,40 µm/h. Ο βελτιστοποιημένος μπρούντζος με θερμή ψεκαστική επίστρωση έφτασε τα 0,57 µm/h, αριθμός κοντά στην τιμή αναφοράς του χυτού υλικού. Μια βελτιστοποιημένη επίστρωση με ψεκασμό τόξου σε χάλυβα ναυπηγικής έφτασε περίπου τα 1,02 µm/h, ενώ μια βελτιστοποιημένη επίστρωση HVOF έφτασε περίπου τα 1,74 µm/h. Ακόμη και όταν αυτές οι επικαλύψεις δεν ανταποκρίθηκαν πλήρως στον χυτό μπρούντζο έλικα, υπερέβησαν δραματικά τον χάλυβα ναυπηγικής· η μελέτη αναφέρει ότι οι επικαλύψεις με ψεκασμό τόξου και HVOF πέτυχαν περίπου 26 φορές και 16 φορές καλύτερη αντοχή στη σπηλαίωση, αντίστοιχα, από τον χάλυβα VL-A.

Χρησιμοποιήστε έναν υπερηχητικό διαλυτή ως δονητική συσκευή για τις δοκιμές διάβρωσης λόγω σπηλαίωσης

Το πρακτικό συμπέρασμα είναι ότι οι δοκιμές διάβρωσης λόγω σπηλαίωσης με τη συσκευή υπερήχων UIP1000hdT ως δονητική συσκευή μπορούν να προσφέρουν περισσότερα από μια απλή κατάταξη των υλικών. Αποκαλύπτουν πώς η διαδικασία επικάλυψης, η μικροδομή, η περιεκτικότητα σε οξείδια, το πορώδες, η συγκόλληση στις διεπαφές και η μετα-επεξεργασία επηρεάζουν την πραγματική συμπεριφορά διάβρωσης. Οι Hauer et al. κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η τεχνική HVOF και η ψεκαστική επίστρωση με τόξο μπορούν να προσφέρουν έναν ισχυρό συμβιβασμό μεταξύ απόδοσης και κόστους για τη βελτίωση των επιφανειών των χαλκών πηδαλίων, ενώ η ψυχρή και η θερμή ψεκαστική επίστρωση προτιμώνται όταν απαιτείται αντοχή στη σπηλαίωση κοντά σε εκείνη του μασικού νικελίου-αλουμινίου-μπρούντζου.

Για τα εργαστήρια και τους ερευνητές στον τομέα των επιστρώσεων, το κλειδί για αναπαραγώγιμα αποτελέσματα είναι ο αυστηρός έλεγχος των παραμέτρων της δοκιμής: πλάτος του σονοτροδίου, συχνότητα, απόσταση σονοτροδίου-δείγματος, θερμοκρασία υγρού, χημική σύνθεση υγρού, προετοιμασία δείγματος, διαστήματα ζύγισης και υπολογισμός του ρυθμού διάβρωσης. Με τον καθορισμό αυτών των συνθηκών, το Hielscher UIP1000hdT προσφέρει έναν πρακτικό και επαναλήψιμο τρόπο μετατροπής της υπερηχητικής σπηλαίωσης σε ποσοτικά δεδομένα σχετικά με την απόδοση της επίστρωσης.

Δείγμα φύλλου εργασίας για δοκιμή διάβρωσης σπηλαίωσης

 
Εδώ μπορείτε να βρείτε οδηγίες για τις δοκιμές διάβρωσης λόγω σπηλαίωσης!

Διάταξη δοκιμής διάβρωσης λόγω σπηλαίωσης σύμφωνα με το πρότυπο ASTM G32

Τα μηχανήματα υπερήχων UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT και UIP2000hdT είναι κατάλληλα για δοκιμές σύμφωνα με το πρότυπο ASTM G32. Μπορούμε να προμηθεύσουμε κάθε μία από αυτές τις μονάδες με ένα ακριβές Πρωτόκολλο μέτρησης πλάτους του μηχανικού πλάτους στην άκρη του σονοτροδίου. Συνιστούμε τη χρήση οποιασδήποτε από αυτές τις συσκευές σε συνδυασμό με ένα σονοτροδίο BS4d22 (διαμέτρου 22 mm) και μια βάση ST2.

ASTM G32 -16 15.9mm Sonotrode με αντικαταστάσιμη άκρη

Σχεδιασμός, Κατασκευή και Συμβουλευτική – Ποιότητα Made in Germany

Hielscher υπερήχων είναι γνωστή για την υψηλότερη ποιότητα και τα πρότυπα σχεδιασμού τους. Η ευρωστία και η εύκολη λειτουργία επιτρέπουν την ομαλή ενσωμάτωση των υπερήχων μας σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Οι σκληρές συνθήκες και τα απαιτητικά περιβάλλοντα αντιμετωπίζονται εύκολα από τους υπερήχους Hielscher.

Hielscher Υπέρηχοι είναι μια πιστοποιημένη εταιρεία ISO και δίνουν ιδιαίτερη έμφαση σε υψηλής απόδοσης υπερήχων που διαθέτουν state-of-the-art τεχνολογία και φιλικότητα προς το χρήστη. Φυσικά, Hielscher υπερήχων είναι CE συμβατό και πληρούν τις απαιτήσεις των UL, CSA και RoHs.

Βιβλιογραφία / Αναφορές