Ensayos de erosión por cavitación

La erosión por cavitación se produce en las superficies de materiales expuestas a una cavitación ultrasónica intensa. Los ensayos de erosión por cavitación son un método rápido para medir la resistencia de los materiales o recubrimientos a la erosión provocada por esfuerzos intensos y otros factores erosivos. Proporcionan una medición cuantitativa sencilla para el control de calidad y resultan útiles en la investigación de materiales o la formulación de recubrimientos.

¿Por qué utilizar ensayos de erosión por cavitación?

La erosión o corrosión continuas pueden exigir la sustitución periódica de piezas o la renovación de los recubrimientos superficiales. La erosión de las superficies de los materiales debida a efectos mecánicos o químicos es un proceso lento que provoca su destrucción gradual. Por ello, evaluar la resistencia de un material a la erosión o el efecto erosivo de líquidos y suspensiones puede requerir mucho tiempo.
Los ensayos de erosión por cavitación ultrasónica someten la superficie del material a ciclos de esfuerzo controlados, intensos y repetidos. Esto provoca una erosión significativa de la superficie del material en poco tiempo. Puede medir rápidamente la resistencia a la erosión para realizar controles de calidad periódicos en producción, evaluar los materiales recibidos o llevar a cabo actividades de investigación y desarrollo.
Las aplicaciones habituales incluyen ensayos metalúrgicos, ensayos de formulación de recubrimientos, ensayos de aplicación de recubrimientos o la evaluación de inhibidores de la erosión en líquidos.

¿Por qué la cavitación provoca erosión superficial?

Los equipos ultrasónicos, como el UP400St (400 vatios, 24 kHz) o el UIP1000hdT (1000 vatios, 20 kHz), acoplan vibraciones ultrasónicas a líquidos como el agua. El rápido movimiento alternativo de la vibración en el líquido genera burbujas de cavitación y provoca su colapso. Cuando las burbujas colapsan, se generan esfuerzos mecánicos elevados y localizados en el líquido y en las superficies de los materiales expuestas. Los chorros de líquido de hasta 1000 km/h y las presiones locales de hasta 1000atm provocan una rápida fatiga en la superficie del material. Esto puede eliminar capas de óxido o de pasivación, recubrimientos o depósitos de suciedad. Puede provocar picaduras en materiales sólidos como el acero, el titanio, el aluminio, el plástico o el vidrio. Por tanto, los ensayos de erosión por cavitación son un método de ensayo destructivo.

¿Cómo funcionan los ensayos de erosión por cavitación?

La erosión por cavitación de las superficies de los materiales provoca una pérdida gradual de material. Puede medir fácilmente la pérdida de material pesándolo en una balanza de precisión antes y después de una exposición definida a la erosión por cavitación. La variación de peso típica en un ensayo de erosión por cavitación se sitúa entre 1 y 30 mg. Para una mayor estandarización, puede calcular la pérdida de volumen dividiendo la pérdida de peso entre la densidad del material. La profundidad media de penetración (MDP) se calcula dividiendo la pérdida de volumen entre el área superficial de la probeta. Como alternativa, puede medir la profundidad de las picaduras o el volumen desplazado. Puede utilizar análisis microscópicos para obtener información cualitativa adicional sobre el patrón de erosión.
Cuando utiliza un equipo ultrasónico Hielscher para los ensayos de erosión por cavitación, puede preestablecer los intervalos de temperatura y presión a los que desea trabajar. Puede ajustar la amplitud de sonicación. Todos los parámetros se supervisan, se muestran y se registran en una tarjeta SD. No necesita instalar ningún software propietario. Si lo desea, puede controlar y supervisar el proceso ultrasónico desde su navegador web habitual conectando el equipo ultrasónico a su ordenador mediante el cable Ethernet incluido.

¿En qué consiste el método normalizado ASTM G32 para la erosión por cavitación mediante un aparato vibratorio?

La norma ASTM G32-16 describe un método normalizado para la erosión por cavitación. Define un ensayo sencillo, controlable y reproducible para cuantificar y comparar la resistencia a la erosión por cavitación de distintos materiales. Las especificaciones ATSM G32-16 son útiles para comparar sus resultados con los de otras publicaciones. Si desea incorporar los ensayos de erosión por cavitación al control de calidad, le recomendamos adaptar el protocolo de ensayo de erosión por cavitación a sus requisitos específicos. Estaremos encantados de ayudarle a diseñar un protocolo de ensayo de erosión por cavitación personalizado. ¡Haga clic aquí para obtener más información sobre los ensayos de erosión por cavitación conforme a ASTM-G32!

¿Por qué utilizar un límite de energía en lugar de un límite de tiempo?

Muchas publicaciones y protocolos de ensayos de erosión especifican un tiempo de exposición a la cavitación. En los equipos ultrasónicos Hielscher, puede preestablecer un tiempo de sonicación y el sistema se detendrá una vez transcurrido ese tiempo. A continuación, puede calcular la tasa de erosión por cavitación resultante en mm/hr o mm3/hr. Un límite de tiempo solo es aceptable si no modifica ningún parámetro, como el nivel del líquido, la amplitud, la presión, la temperatura, la composición del líquido o la separación entre el sonotrodo y la superficie del material. Si cambia cualquiera de estos parámetros, también cambiarán la potencia de sonicación y la intensidad de la cavitación. Es importante que la potencia neta real suministrada al líquido no fluctúe durante el ensayo.
En los equipos ultrasónicos Hielscher puede establecer un límite de energía. En este caso, el equipo ultrasónico se detendrá una vez que haya suministrado la energía ultrasónica especificada. El equipo Hielscher mostrará y registrará parámetros como la potencia neta real, la amplitud, la presión y la temperatura del líquido. Al utilizar un límite de energía, se compensarán las fluctuaciones de potencia o los cambios deliberados de los parámetros. A continuación, puede expresar la tasa de erosión por cavitación resultante en mm/kWhr, mm3/kWhr o mg/kWhr.
Si pesa la probeta entre los intervalos de erosión por cavitación, puede generar una curva que muestre la pérdida de peso marginal (tasa de pérdida de peso en cada intervalo de energía) en función de la energía acumulada.
Para obtener resultados más precisos, el equipo puede realizar una calibración automática (30 segundos). Esta mide la potencia para todos los ajustes de amplitud en aire a presión ambiente. El equipo Hielscher utiliza estos datos de calibración para proporcionar valores de potencia neta muy precisos en tiempo real.

Presión del líquido durante la sonicación

Muchos protocolos normalizados de ensayos de erosión por cavitación utilizan cavitación ultrasónica a presión ambiente. La presión del líquido es el segundo factor más importante para la intensidad de sonicación. Un aumento del 10% en la presión ambiente incrementará la intensidad de sonicación aproximadamente un 10%. Una cavitación más intensa reduce el tiempo necesario para alcanzar un determinado grado de erosión por cavitación. A menudo, el ensayo de una sola probeta puede durar entre 15 y 120 minutos. Si tiene muchas probetas que ensayar, trabajar a presiones más altas puede reducir significativamente el tiempo de cada ensayo. Los ensayos a 5 barg (73 psig) requieren aproximadamente un 80% menos de tiempo por ensayo.
Hielscher suministra celdas de ensayo estancas a presión con un sensor de presión digital para los ensayos de erosión por cavitación. Con una celda estanca a presión, puede controlar y mantener la presión durante cada ensayo. El generador ultrasónico supervisa constantemente el sensor de presión y registra la presión real en un archivo CSV compatible con Excel en una tarjeta SD incluida. Hielscher suministra reguladores de presión para ajustar y mantener la presión de funcionamiento.
Las celdas de ensayo estancas a presión de Hielscher para ensayos de erosión por cavitación están diseñadas de serie para presiones de hasta 5barg (73 psig). Se ofrecen presiones superiores de hasta 300barg (4350 psig) bajo pedido.

Frecuencia ultrasónica

Por lo general, los ensayos de erosión por cavitación utilizan ultrasonidos de baja frecuencia y alta intensidad en el intervalo de 18–30 kHz. En este intervalo, la variación de la frecuencia tiene un efecto muy limitado sobre la intensidad de la cavitación. Todos los equipos Hielscher funcionan a una frecuencia constante.

Distancia respecto al sonotrodo

El material que se va a ensayar puede montarse en el sonotrodo o debajo de él. Puede fabricar una probeta roscada del material y montarla en el extremo del sonotrodo ultrasónico. En este caso, la probeta vibra con la amplitud ultrasónica especificada y genera cavitación en su superficie. Esto requiere un mecanizado de precisión y no todos los materiales son adecuados para esta opción.
Como alternativa, puede fijar una pieza o probeta a poca distancia por debajo de un sonotrodo de titanio. En este caso, el sonotrodo de titanio genera la cavitación y la superficie del material queda expuesta a ella. Esta es la opción más práctica, ya que permite colocar probetas de distintos tamaños o formas en la celda de ensayo. Si utiliza un sonotrodo más grande, como uno de 50 mm u 80 mm de diámetro, puede exponer varias piezas a la erosión por cavitación al mismo tiempo. Esto resulta muy útil cuando tiene que ensayar muchas piezas al día, por ejemplo, para el control de calidad.
En ambos casos, la distancia entre el sonotrodo ultrasónico y la superficie del material situada junto a él es muy importante. Por lo general, la erosión por cavitación es más rápida cuando se utiliza una distancia menor. Las distancias habituales oscilan entre 0,2 y 15 mm. Para obtener resultados concluyentes, debe utilizar la misma distancia en todos los ensayos.

Temperatura del líquido

Un líquido más caliente da lugar a una menor intensidad de cavitación ultrasónica. El aporte de energía de vibración mecánica al líquido provocará su calentamiento. Para mantener una temperatura constante durante cada ensayo de erosión por cavitación, es necesario refrigerar el líquido. Hielscher suministra recipientes con camisa y celdas estancas a presión con camisa. Como alternativa, puede utilizar un serpentín de refrigeración en un vaso de precipitados o colocar el vaso en un baño de hielo. Un refrigerante que circula por la camisa o por el serpentín de refrigeración extrae calor del líquido.
Los equipos ultrasónicos Hielscher, como el UP400St o el UIP1000hdT, incluyen una sonda de temperatura PT100. El generador ultrasónico supervisa continuamente la temperatura real del líquido y la registra en un archivo CSV compatible con Excel en una tarjeta SD incluida. Puede configurar el generador para que pause el ensayo de erosión por cavitación si la temperatura del líquido se desvía demasiado del valor de consigna, por ejemplo, debido a una capacidad de refrigeración insuficiente. El generador puede reanudar automáticamente la sonicación cuando el líquido vuelva a alcanzar la temperatura especificada.

Líquido sometido a cavitación

Por lo general, los ensayos de erosión por cavitación utilizan agua, por ejemplo, agua destilada. Los distintos líquidos presentan diferentes características de cavitación. Si el agua resulta corrosiva para su material, puede ensayar líquidos alternativos, como aceites de silicona de baja viscosidad o disolventes orgánicos, para eliminar o reducir el factor corrosivo. Como alternativa, puede hacer que el líquido sea más corrosivo, por ejemplo, modificando el pH, o más abrasivo, añadiendo partículas abrasivas. Puede utilizar los ensayos de erosión por cavitación para evaluar la capacidad erosiva y corrosiva de líquidos como los lodos de perforación, o para evaluar la eficacia de los inhibidores de la corrosión o de la erosión.

Mecanizado

Al fabricar una pieza o una probeta, el mecanizado CNC, el rectificado o el pulido dañan la estructura de grano próxima a la superficie del material. Esto reduce la resistencia a la erosión.

Capas de pasivación/óxido

Muy a menudo, la erosión y la corrosión se producen al mismo tiempo. El agua, ya sea destilada, desmineralizada o desionizada, puede resultar corrosiva para muchos materiales. La cavitación ultrasónica favorece la corrosión. Las capas de pasivación, por ejemplo, en el aluminio anodizado, aumentan la resistencia de la superficie del material a la erosión y la corrosión.

¿Qué limitaciones tienen los ensayos de erosión por cavitación?

Algunos elastómeros pueden requerir una exposición a cavitación muy intensa para mostrar algún grado de erosión por cavitación. En este caso, la sonicación sin una celda presurizada puede no producir ningún efecto medible.