Mere-pronkskatete kavitatsioonierosiooni praktiline testimine

Kavitatsioonierosiooni testimine on kõige kasulikum siis, kui see seob kontrollitud laboratoorse koormuse reaalse insenerliku probleemiga. Praktiline näide on kavitatsioonikindlate pronkskatete hindamine meretehnika komponentidele, nagu laevade roolid ja sõukruvid. Need osad töötavad tsoonides, kus kohalikud rõhukõikumised võivad tekitada aurumulle, mis kollapseeruvad pinna lähedal ja tekitavad korduvaid suure intensiivsusega löökkoormusi. Aja jooksul põhjustab see süvikuid, väsimuskahjustusi, katte purunemist ja materjalikadu.

Pronkskatete kavitatsioonierosiooni test

Hauer et al. uuringus võrreldi külmpihustuse, soojpihustuse, HVOF-pihustuse ja kaarpihustuse teel valmistatud pronkskatteid valatud nikkel-alumiiniumpronksi ja laevaehitusterasega. Keskne küsimus oli lihtne: milline katmisprotsess suudab anda pronkspinna, mis peab kavitatsioonikoormusele vastu piisavalt kaua merekasutuseks? Sellele vastamiseks kasutasid teadlased kavitatsioonierosiooni testi, mis põhineb standardil ASTM G32-16 ja vibratsiooniseadmel, sealhulgas ultraheli vibratsioonisüsteemil Hielscher UIP1000hdT katsesüsteemina.

Katsetingimuste täpne kontroll ja automatiseeritud andmete salvestamine

Sonikaator UIP1000hdT sobib selliseks testiks hästi, sest see annab suure intensiivsusega madalsageduslikku ultraheli vahemikus, mida kasutatakse kavitatsioonierosiooni testimisel. 1000-vatise sonikaatoriga kavitatsioonierosiooni katseseadis töötab sagedusel 20 kHz ning võimaldab täpset protsessi jälgimist, amplituudi reguleerimist, temperatuuri mõõtmist ja katseandmete automaatset protokollimist. Need funktsioonid on olulised, sest kavitatsiooni intensiivsus sõltub tugevalt amplituudist, vedeliku temperatuurist, vedeliku rõhust, sonotroodi geomeetriast ning sonotroodi ja proovikeha vahelisest kaugusest.

(a) Kavitatsioonierosiooni test vastavalt standardile ASTM G32-16 sonikaatoriga UIP1000hd (kaudne meetod). Kõik katseparameetrid on nimiväärtused; tolerantsid on loetletud standardis.
(b) Erosiooni–aja kõvera skemaatilised faasid ja katseprotseduuri iseloomulikud parameetrid.
Graafikud ja uuring: ©Hauer et al., 2021.

Pronkskatete ultraheli kavitatsioonierosiooni test

Mere-pronkskatte näite puhul tehti test kaudse ASTM G32 skeemi kohaselt. Selles konfiguratsioonis ei ole proovikeha kinnitatud vibreeriva sarviku külge. Selle asemel tekitab ultraheli sonotrood kavitatsiooni destilleeritud vees ning kaetud proovikeha on kinnitatud sonotroodi alla määratud vahega. Hauer et al. kasutasid proovi ja sonotroodi vahel 0,5 mm kaugust, sagedust 20 kHz ja tipust tipuni amplituudi 50 µm. Katsevedelik oli destilleeritud vesi, mida hoiti ligikaudu toatemperatuuril, umbes 25 °C juures.

Proovikeha ettevalmistus on kriitiline etapp. Enne kavitatsioonikoormust lihviti ja poleeriti kaetud pinnad astmeliselt kuni peene teemantabrasiivini alla 4 µm. See vähendab lõdvalt kinnituvate osakeste või pinnakaredusete mõju, mis võiksid muidu kohe lahti tulla ja erosioonikõverat moonutada. Eesmärk ei ole teha kate välimuselt ilusaks, vaid luua reprodutseeritav algseisund, et mõõdetud massikadu peegeldaks kavitatsioonikindlust, mitte halba pinnaettevalmistust.

Ultraheli kavitatsioonierosiooni testimise protseduur ja selle tulemused

Praktiline katseprotseduur on lihtne. Esiteks puhastatakse, kuivatatakse ja kaalutakse iga proov täppiskaalul. Seejärel kinnitatakse see katsekambrisse sonikaatori UIP1000hdT sonotroodi BS4d22 alla, kusjuures 0,5 mm vahe seatakse hoolikalt ja korratavalt. Sonikaatorit käitatakse määratud amplituudi ja sagedusega, samal ajal kui vedeliku temperatuuri reguleeritakse, et soojenemine ei muudaks kavitatsiooni intensiivsust. Pärast määratud kokkupuuteintervalli proov eemaldatakse, puhastatakse, kuivatatakse ja kaalutakse uuesti. Seda järjestust korratakse materjalist sõltuvate kasvavate kokkupuuteintervallidega, kuni on saadud täielik erosioonikõver.
Toormõõtmine on massikadu. Insenertehniliseks võrdluseks teisendatakse see massikadu materjali tiheduse abil mahukaoks. Seejärel jagatakse mahukadu eksponeeritud pindalaga, et määrata keskmine erosioonisügavus. Erosioonisügavuse kõverast saab teadlane arvutada iseloomulikud erosiooniparameetrid, näiteks maksimaalse erosioonikiiruse, lõpliku erosioonikiiruse ja keskmise erosioonisügavuse. Hielscher märgib samuti, et erosiooni võib esitada massina, mahuna või tungimissügavusena ajaühiku kohta või edastatud ultraheli energia ühiku kohta, sõltuvalt valitud protokollist.

Keskmised erosioonisügavused kui kattekvaliteedi kohandatud parameetrite n funktsioon. Pulbri lõõmutamine ja sellest tulenev pulbri väiksem tugevus võimaldavad saavutada kõrge kattekvaliteedi. Lisapildid näitavad pinnakahjustust, mis saadi 100 min kestnud kavitatsioonikatse järel.
Graafikud ja uuring: ©Hauer et al., 2021.

Üks oluline õppetund Hauer’i uuringust on see, et varased erosioonikiirused võivad olla eksitavad. Termiliselt ja kineetiliselt pihustatud kattekihtidel esines sageli suur algne materjalikadu, millele järgnes madalam ja stabiilsem erosioonikiirus. Seetõttu kasutasid Hauer et al. lõplikku erosioonikiirust kattekihi pikaajalise toimivuse representatiivsema näitajana. Nende 120-minutilises võrdluses hinnati lõplikku erosioonikiirust peamiselt katse teisest poolest, pärast 60. minutit, et stabiliseerunud käitumist paremini tabada.

Katsetulemused näitavad, miks on kontrollitud vibratsiooniga kavitatsiooniseade väärtuslik. Valatud nikkel-alumiiniumpronks saavutas lõpliku erosioonikiiruse umbes 0,40 µm/h. Optimeeritud soojpihustatud pronks jõudis väärtuseni 0,57 µm/h, mis on valatud võrdlusmaterjalile lähedane. Optimeeritud kaarpihustatud kattekiht laevaehitusterasel jõudis umbes väärtuseni 1,02 µm/h, optimeeritud HVOF-kattekiht aga umbes väärtuseni 1,74 µm/h. Isegi kui need kattekihid ei küündinud täielikult valatud propellripronksi tasemele, edestasid nad laevaehitusterast oluliselt; uuringu kohaselt saavutasid kaarpihustatud ja HVOF-pihustatud kattekihid VL-A terasega võrreldes umbes 26 korda ja 16 korda parema kavitatsioonikindluse.

Kasutage sonikaatorit vibratsiooniseadmena oma kavitatsioonierosiooni katsete jaoks

Praktiline järeldus on, et kavitatsioonierosiooni katsetamine sonikaatoriga UIP1000hdT vibratsiooniseadmena võimaldab enamat kui materjalide järjestamist. See toob esile, kuidas kattekihi tekitamise protsess, mikrostruktuur, oksiidisisaldus, poorsus, piirpinna nakkuvus ja järeltöötlus mõjutavad tegelikku erosioonikäitumist. Hauer et al. järeldasid, et HVOF- ja kaarpihustus võivad pakkuda tugevat toimivuse ja kulu kompromissi terasest rooliPindade parandamiseks, samas kui külm- ja soojpihustust eelistatakse siis, kui nõutakse kavitatsioonikindlust, mis on lähedane massiivsele nikkel-alumiiniumpronksile.

Laboratooriumide ja kattekihtide arendajate jaoks on reprodutseeritavate tulemuste võti katseparameetrite range kontroll: sonotroodi amplituud, sagedus, sonotroodi ja proovi vaheline kaugus, vedeliku temperatuur, vedeliku keemiline koostis, proovi ettevalmistus, kaalumisintervallid ja erosioonikiiruse arvutamine. Nende tingimuste määratlemisel pakub Hielscher UIP1000hdT praktilist ja korratavat viisi ultraheli kavitatsiooni teisendamiseks kvantitatiivseteks kattekihi toimivusandmeteks.

Kavitatsioonierosiooni katsetamise näidistööleht

 
Juhised kavitatsioonierosiooni katsete jaoks leiate siit!

ASTM G32 kavitatsioonierosiooni katse seadistus

Sonikaatorid UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT ja UIP2000hdT sobivad ASTM G32 katsetamiseks. Saame iga selle seadmega kaasa anda täpse amplituudi mõõtmisprotokolli sonotroodi otsa mehaanilise amplituudi kohta. Soovitame kasutada mõlemat neist seadmetest koos sonotroodiga BS4d22 (läbimõõt 22mm) ja statiiviga ST2.

ASTM G32 -16 15,9mm sonotrood vahetatava otsaga

Disain, tootmine ja nõustamine – kvaliteet, mis on valmistatud Saksamaal

Hielscheri ultrahelitöötlusseadmed on tuntud oma kõrgeima kvaliteedi ja disainistandardite poolest. Töökindlus ja lihtne kasutus võimaldavad meie ultrahelitöötlusseadmeid sujuvalt integreerida tööstusettevõtetesse. Hielscheri ultrahelitöötlusseadmed saavad hõlpsasti hakkama rasketes tingimustes ja nõudlikes keskkondades.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifitseeritud ettevõte ning pöörab erilist tähelepanu suure jõudlusega ultrahelitöötlusseadmetele, mis hõlmavad uusimat tehnoloogiat ja kasutajasõbralikkust. Loomulikult on Hielscheri ultrahelitöötlusseadmed CE-nõuetele vastavad ning täidavad UL-i, CSA ja RoHs nõudeid.

Kirjandus / viited

• 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.