Ensayos prácticos de erosión por cavitación de recubrimientos de bronce para aplicaciones marinas

Los ensayos de erosión por cavitación resultan especialmente útiles cuando relacionan una exposición controlada en laboratorio con un problema real de ingeniería. Un ejemplo práctico es la evaluación de recubrimientos de bronce resistentes a la cavitación para componentes marítimos, como timones y hélices de buques. Estas piezas operan en zonas donde las fluctuaciones locales de presión pueden generar burbujas de vapor que colapsan cerca de la superficie y producen cargas de impacto repetidas de alta intensidad. Con el tiempo, esto provoca picaduras, daños por fatiga, fallos del recubrimiento y pérdida de material.

Ensayo de erosión por cavitación de recubrimientos de bronce

En el estudio de Hauer et al., se compararon recubrimientos de bronce producidos mediante proyección en frío, proyección templada, proyección HVOF y proyección por arco con bronce al aluminio con níquel fundido y acero para construcción naval. La pregunta central era sencilla: ¿qué proceso de recubrimiento permite obtener una superficie de bronce que resista la exposición a la cavitación durante el tiempo suficiente para su uso en aplicaciones marinas? Para responderla, los investigadores utilizaron un ensayo de erosión por cavitación basado en ASTM G32-16 con un aparato vibratorio, incluido un sistema vibratorio ultrasónico Hielscher UIP1000hdT como sistema de ensayo.

Control preciso de las condiciones de ensayo y registro automatizado de datos

El sonicador UIP1000hdT es idóneo para este tipo de ensayo porque suministra ultrasonidos de alta intensidad y baja frecuencia dentro del intervalo utilizado para los ensayos de erosión por cavitación. El montaje para ensayos de erosión por cavitación que utiliza el sonicador de 1000 vatios funciona a 20 kHz y permite supervisar el proceso con precisión, controlar la amplitud, medir la temperatura y registrar automáticamente los datos del ensayo. Estas funciones son importantes porque la intensidad de la cavitación depende en gran medida de la amplitud, la temperatura y la presión del líquido, la geometría del sonotrodo y la distancia entre el sonotrodo y la probeta.

(a) Ensayo de erosión por cavitación conforme a ASTM G32-16 con el sonicador UIP1000hd (método indirecto). Todos los parámetros del ensayo son valores nominales; las tolerancias se indican en la norma.
(b) Fases esquemáticas de la curva de erosión en función del tiempo y parámetros característicos del procedimiento de ensayo.
Ilustraciones y estudio: ©Hauer et al., 2021.

Ensayo de erosión por cavitación ultrasónica de recubrimientos de bronce

En el ejemplo del recubrimiento de bronce para aplicaciones marinas, el ensayo se realizó con la configuración indirecta de ASTM G32. En esta configuración, la probeta no está unida al sonotrodo vibrante. El sonotrodo ultrasónico genera cavitación en agua destilada, y la probeta recubierta se fija debajo del sonotrodo con una separación definida. Hauer et al. utilizaron una distancia de 0,5 mm entre la muestra y el sonotrodo, una frecuencia de 20 kHz y una amplitud de pico a pico de 50 µm. El líquido de ensayo fue agua destilada, mantenida aproximadamente a temperatura ambiente, en torno a 25 °C.

La preparación de las probetas es un paso crítico. Antes de la exposición a la cavitación, las superficies recubiertas se rectificaron y pulieron por etapas, hasta utilizar un abrasivo fino de diamante de tamaño inferior a 4 µm. Esto reduce la influencia de partículas débilmente adheridas o irregularidades superficiales que, de otro modo, podrían desprenderse de inmediato y distorsionar la curva de erosión. El objetivo no es mejorar el aspecto del recubrimiento, sino crear una condición inicial reproducible para que la pérdida de masa medida refleje la resistencia a la cavitación y no una preparación superficial deficiente.

Procedimiento y resultados de los ensayos de erosión por cavitación ultrasónica

El procedimiento práctico de ensayo es sencillo. Primero, cada probeta se limpia, se seca y se pesa en una balanza de precisión. A continuación, se monta en la celda de ensayo debajo del sonotrodo BS4d22 del sonicador UIP1000hdT, ajustando cuidadosamente la separación de 0,5 mm de forma reproducible. El sonicador funciona con la amplitud y la frecuencia definidas, mientras se controla la temperatura del líquido para evitar que el calentamiento modifique la intensidad de la cavitación. Tras un intervalo de exposición definido, se retira la probeta, se limpia, se seca y se vuelve a pesar. Esta secuencia se repite con intervalos de exposición crecientes, dependientes del material, hasta obtener una curva de erosión completa.
La medición directa es la pérdida de masa. Para realizar comparaciones de ingeniería, esta pérdida de masa se convierte en pérdida de volumen utilizando la densidad del material. Después, la pérdida de volumen se divide entre el área superficial expuesta para determinar la profundidad media de erosión. A partir de la curva de profundidad de erosión, el investigador puede calcular parámetros característicos de erosión, como la tasa máxima de erosión, la tasa terminal de erosión y la profundidad media de erosión. Hielscher también señala que la erosión puede expresarse como masa, volumen o profundidad de penetración por unidad de tiempo o por unidad de energía ultrasónica suministrada, según el protocolo elegido.

Profundidades medias de erosión en función de los parámetros ajustados de calidad del recubrimiento n. El recocido del polvo y la consiguiente reducción de su resistencia mecánica permiten obtener recubrimientos de alta calidad. Las imágenes insertadas muestran los daños superficiales obtenidos tras un tiempo de ensayo de cavitación de 100 min.
Gráficas y estudio: ©Hauer et al., 2021.

Una conclusión importante del estudio de Hauer es que las tasas iniciales de erosión pueden resultar engañosas. Los recubrimientos obtenidos por proyección térmica y cinética mostraron con frecuencia una pérdida inicial de material elevada, seguida de una tasa de erosión menor y más estable. Por este motivo, Hauer et al. utilizaron la tasa terminal de erosión como indicador más representativo del comportamiento del recubrimiento a largo plazo. En su comparación de 120 minutos, la tasa terminal de erosión se evaluó principalmente a partir de la segunda mitad del ensayo, después de 60 minutos, para reflejar mejor el comportamiento estabilizado.

Los resultados del ensayo muestran el valor de un aparato vibratorio de cavitación controlado. El bronce al aluminio con níquel fundido alcanzó una tasa terminal de erosión de aproximadamente 0,40 µm/h. El bronce optimizado obtenido por proyección templada alcanzó 0,57 µm/h, un valor cercano al de la referencia fundida. Un recubrimiento optimizado obtenido por proyección por arco sobre acero para construcción naval alcanzó aproximadamente 1,02 µm/h, mientras que un recubrimiento HVOF optimizado alcanzó aproximadamente 1,74 µm/h. Incluso cuando estos recubrimientos no igualaron plenamente al bronce fundido para hélices, superaron ampliamente al acero para construcción naval; el estudio indica que los recubrimientos obtenidos por proyección por arco y por proyección HVOF alcanzaron una resistencia a la cavitación aproximadamente 26 veces y 16 veces superior, respectivamente, a la del acero VL-A.

Utilice un sonicador como aparato vibratorio para sus ensayos de erosión por cavitación

La conclusión práctica es que los ensayos de erosión por cavitación con el sonicador UIP1000hdT como aparato vibratorio permiten hacer mucho más que clasificar materiales. Revelan cómo el proceso de recubrimiento, la microestructura, el contenido de óxidos, la porosidad, la adherencia en la interfaz y el tratamiento posterior afectan al comportamiento real frente a la erosión. Hauer et al. concluyeron que la proyección HVOF y la proyección por arco pueden ofrecer una buena relación entre prestaciones y coste para mejorar las superficies de los timones de acero, mientras que la proyección en frío y la proyección templada son preferibles cuando se requiere una resistencia a la cavitación cercana a la del bronce al aluminio con níquel macizo.

Para los laboratorios y los desarrolladores de recubrimientos, la clave para obtener resultados reproducibles es controlar estrictamente los parámetros del ensayo: amplitud del sonotrodo, frecuencia, distancia entre el sonotrodo y la muestra, temperatura del líquido, composición química del líquido, preparación de las probetas, intervalos de pesaje y cálculo de la tasa de erosión. Con estas condiciones definidas, el Hielscher UIP1000hdT proporciona una forma práctica y reproducible de convertir la cavitación ultrasónica en datos cuantitativos sobre el comportamiento de los recubrimientos.

Ejemplo de hoja de trabajo para ensayos de erosión por cavitación

 
¡Aquí encontrará instrucciones para los ensayos de erosión por cavitación!

Montaje para ensayos de erosión por cavitación ASTM G32

Los sonicadores UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT y UIP2000hdT son adecuados para ensayos ASTM G32. Podemos suministrar cada uno de estos equipos con un preciso protocolo de medición de amplitud de la amplitud mecánica en la punta del sonotrodo. Recomendamos utilizar cualquiera de estos dispositivos con un sonotrodo BS4d22 (22 mm de diámetro) y un soporte ST2.

ASTM G32 -16 Sonotrodo de 15,9 mm con punta reemplazable

Diseño, fabricación y asesoramiento – Calidad fabricada en Alemania

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Bibliografía / Referencias

• 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.