Kavitatsioonierosiooni testimine

Kavitatsioonierosioon tekib materjalide pindadel, mis puutuvad kokku intensiivse ultraheli kavitatsiooniga. Kavitatsioonierosiooni testimine on kiire meetod materjalide või pinnakatete erosioonikindluse mõõtmiseks intensiivse koormuse ja muude erosiooni mõjutavate tegurite suhtes. See pakub lihtsa kvantitatiivse mõõtmise kvaliteedikontrolliks ning on kasulik materjaliuuringute või pinnakatete koostise väljatöötamise ajal.

Miks kasutada kavitatsioonierosiooni testimist?

Pidev erosioon või korrosioon võib nõuda osade regulaarset väljavahetamist või pinnakatete uuendamist. Materjali pinna erosioon mehaaniliste või keemiliste mõjude tõttu on aeglane protsess, mis viib materjalide pindade järkjärgulise hävimiseni. Seetõttu võib materjali erosioonikindluse või vedelike ja suspensioonide erosioonimõju hindamine olla väga ajamahukas protsess.
Ultraheli kavitatsioonierosiooni testimine allutab materjali pinna kontrollitud, intensiivsetele, korduvatele koormustsüklitele. Selle tulemusena erodeerub materjali pind lühikese ajaga märkimisväärselt. Saate erosioonikindlust kiiresti mõõta regulaarseks kvaliteedikontrolliks tootmises, saabuvate materjalide hindamiseks või teadus- ja arendustöö käigus.
Tüüpilised rakendused hõlmavad metallurgilist testimist, pinnakatete koostise testimist, pinnakatete pealekandmise testimist või erosiooniinhibiitorite hindamist vedelikes.

Miks kavitatsioon põhjustab pinna erosiooni?

Ultraheliseadmed, nagu UP400St (400 vatti, 24kHz) või UIP1000hdT (1000 vatti, 20kHz), kannavad ultraheli vibratsioonid vedelikesse, näiteks vette. Vibratsiooni kiire edasi-tagasi liikumine vedelikus tekitab kavitatsioonimulle ja põhjustab nende kollapseerumise. Kui mullid kollapseeruvad, tekib vedelikus ja kokkupuutuvatel materjali pindadel suur lokaalne mehaaniline koormus. Kuni 1000km/h vedelikujoad ja kuni 1000atm kohalikud rõhud põhjustavad materjali pinna kiiret väsimist. See võib eemaldada oksiid- või passiveerimiskihte, pinnakatteid või saasteaineid. See võib tekitada auke (pitting) tahketes materjalides, nagu teras, titaan, alumiinium, plast või klaas. Seega on kavitatsioonierosiooni testimine hävitav testimismeetod.

Kuidas kavitatsioonierosiooni testimine toimib?

Materjalide pindade kavitatsioonierosioon põhjustab järkjärgulist materjalikadu. Materjalikadu saab hõlpsasti mõõta, kaaludes materjali täppiskaalul enne ja pärast kindlaksmääratud kavitatsioonierosiooni toimet. Tüüpiline massimuutus kavitatsioonierosiooni testi puhul on vahemikus 1 kuni 30mg. Edasiseks standardimiseks saate arvutada mahukao, jagades massikao materjali tihedusega. Keskmine läbitungimissügavus (MDP) arvutatakse, jagades mahukao katsekeha pindalaga. Teise võimalusena saate mõõta aukude (pitting) sügavust või väljatõrjutud mahtu. Mikroskoopilist analüüsi saate kasutada täiendava kvalitatiivse teabe saamiseks erosioonimustri kohta.
Kui kasutate kavitatsioonierosiooni testimiseks Hielscheri ultraheliseadet, saate eelseadistada temperatuuri- ja rõhuvahemiku, mille juures soovite töötada. Saate reguleerida sonikeerimise amplituudi. Kõiki parameetreid jälgitakse, kuvatakse ja salvestatakse SD-kaardile. Te ei vaja ühtegi patenteeritud tarkvara paigaldust. Soovi korral saate ultraheliprotsessi juhtida ja jälgida oma tavalisest veebibrauserist, kui ühendate ultraheliseadme arvutiga ethernet-kaabli (kaasas) kaudu.

Mis on ASTM G32 standardmeetod kavitatsioonierosiooni määramiseks vibratsiooniseadmega?

ASTM G32-16 standard kirjeldab standardiseeritud meetodit kavitatsioonierosiooni testimiseks. See määratleb lihtsa, kontrollitava ja reprodutseeritava testi, millega kvantifitseerida ja võrrelda erinevate materjalide kavitatsioonierosioonikindlust. ATSM G32-16 spetsifikatsioonid on kasulikud teie tulemuste võrdlemiseks teiste publikatsioonide tulemustega. Kui soovite kavitatsioonierosiooni testimist kvaliteedikontrollis rakendada, soovitame kavitatsioonierosiooni testprotokolli kohandada teie konkreetsetele nõuetele. Aitame teid hea meelega kohandatud kavitatsioonierosiooni testprotokolli koostamisel. Lisateavet kavitatsioonierosiooni testimise kohta vastavalt standardile ASTM-G32 leiate siit – klõpsake siin!

Miks peaksin kasutama ajapiirangu asemel energiapiirangut?

Paljud publikatsioonid ja erosioonitestide protokollid määravad kindlaks kavitatsiooni mõjuaja. Hielscheri ultraheliseadmetes saate eelseadistada ultraheli töötluse (sonikeerimise) aja ning süsteem peatub pärast selle aja möödumist. Seejärel saate arvutada saadud kavitatsioonierosiooni kiiruse ühikutes mm/hr või mm3/hr. Ajapiirang on vastuvõetav ainult siis, kui te ei muuda ühtegi parameetrit, näiteks vedeliku taset, amplituudi, rõhku, temperatuuri, vedeliku koostist ega vahet sonotroodi ja materjali pinna vahel. Kui mõni neist parameetritest muutub, muutuvad ka ultraheli töötluse võimsus ja kavitatsiooni intensiivsus. On oluline, et vedelikku antav tegelik netovõimsus ei tohi testi kestuse jooksul kõikuda.
Hielscheri ultraheliseadmetes saate määrata energiapiirangu. Sel juhul seade peatub pärast määratud ultraheli energia andmist. Hielscheri seade kuvab ja salvestab parameetreid, näiteks tegelikku netovõimsust, amplituudi, rõhku ja vedeliku temperatuuri. Võimsuse kõikumisi või tahtlikke parameetrite muutusi kompenseeritakse energiapiirangu kasutamisel. Seejärel saate saadud kavitatsioonierosiooni kiiruse määrata ühikutes mm/kWhr, mm3/kWhr või mg/kWhr.
Kui kaalute proovikeha kavitatsioonierosiooni intervallide vahel, saate koostada kõvera, mis näitab marginaalset massikadu (massikao kiirust igas energiaintervallis) kumulatiivse energia suhtes.
Täpsemate tulemuste saamiseks saab seade teostada automaatse kalibreerimise (30 sekundit). See mõõdab võimsust kõigi amplituudi seadistuste korral õhus ümbritseva rõhu juures. Hielscheri seade kasutab neid kalibreerimisandmeid, et anda reaalajas väga täpseid netovõimsuse väärtusi.

Vedeliku rõhk ultraheli töötluse ajal

Paljud kavitatsioonierosiooni testimise standardprotokollid kasutavad ultraheli kavitatsiooni normaalrõhul. Vedeliku rõhk on ultraheli töötluse intensiivsuse teine kõige olulisem tegur. Ümbritseva rõhu 10% tõus suurendab ultraheli töötluse intensiivsust ligikaudu 10%. Intensiivsem kavitatsioon lühendab aega, mis on vajalik teatud kavitatsioonierosiooni astme saavutamiseks. Sageli võib ühe katseproovi test kesta umbes 15 kuni 120 minutit. Kui teil on palju proove testida, võib töötamine kõrgematel rõhkudel iga testi kestust märkimisväärselt lühendada. Testid rõhul 5 barg (73psig) nõuavad iga testi kohta ligikaudu 80% vähem aega.
Hielscher tarnib kavitatsioonierosiooni testimiseks rõhukindlaid katsekambreid digitaalse rõhuanduriga. Rõhukindla kambri abil saate rõhku iga testi ajal kontrollida ja hoida. Ultraheligeneraator jälgib rõhuandurit pidevalt ja protokollib tegeliku rõhu Exceliga ühilduvasse CSV-faili SD-kaardil (kaasas). Hielscher tarnib rõhuregulaatoreid töörõhu seadmiseks ja hoidmiseks.
Standardina on Hielscheri rõhukindlad katsekambrid kavitatsioonierosiooni testimiseks mõeldud rõhule kuni 5barg (73psig). Kõrgemad rõhud kuni 300barg (4350psig) on saadaval soovi korral.

Ultraheli sagedus

Üldjuhul kasutatakse kavitatsioonierosiooni testimisel madalsageduslikku suure intensiivsusega ultraheli sagedusvahemikus 18–30kHz. Selles vahemikus on sageduse muutuse mõju kavitatsiooni intensiivsusele väga piiratud. Kõik Hielscheri seadmed töötavad konstantsel sagedusel.

Kaugus sonotroodist

Testitavat materjali saab kinnitada sonotroodi külge või paigutada sonotroodi alla. Võite valmistada keermestatud materjaliproovi ja kinnitada selle ultraheli sonotroodi otsa. Sel juhul vibreerib proov määratud ultraheli amplituudiga ja tekitab kavitatsiooni oma pinnal. See nõuab täppistöötlust ning kõik materjalid ei sobi selle variandi jaoks.
Alternatiivina võite detaili või proovi kinnitada titaanist sonotroodi alla tihedasse lähedusse. Sel juhul tekitab kavitatsiooni titaanist sonotrood ning materjali pind puutub kavitatsiooniga kokku. See on mugavam variant, kuna katsekambrisse saab paigutada erineva suuruse või kujuga proove. Kui kasutate suuremat sonotroodi, näiteks 50mm või 80mm läbimõõduga sonotroodi, saate allutada mitu detaili kavitatsioonierosioonile samaaegselt. See on väga kasulik, kui peate päevas testima palju detaile, nt kvaliteedikontrolli jaoks.
Mõlemal juhul on kaugus ultraheli sonotroodi ja selle kõrval oleva materjali pinna vahel väga oluline. Üldiselt on kavitatsioonierosioon kiirem, kui kaugus on väiksem. Tüüpilised kaugused jäävad vahemikku 0,2 kuni 15mm. Veenvate tulemuste saamiseks peaksite kõigi testide jaoks kasutama sama kaugust.

Vedeliku temperatuur

Soojem vedelik põhjustab madalama ultraheli kavitatsiooni intensiivsuse. Mehaanilise vibratsioonienergia sisestamine vedelikku põhjustab vedeliku soojenemise. Et hoida iga kavitatsioonierosiooni testi ajal konstantset temperatuuri, tuleb vedelikku jahutada. Hielscher tarnib mantliga anumaid ja mantliga rõhukindlaid kambreid. Alternatiivina võite kasutada keeduklaasis jahutusspiraali või panna keeduklaasi jäävanni. Jahutusaine, mis voolab läbi mantli või jahutusspiraali, eemaldab vedelikust soojuse.
Hielscheri ultraheli seadmed, näiteks UP400St või UIP1000hdT, on varustatud PT100 temperatuurianduriga (kaasas). Ultraheligeneraator jälgib vedeliku tegelikku temperatuuri pidevalt ja protokollib temperatuuri Exceliga ühilduvasse CSV-faili SD-kaardil (kaasas). Võite seadistada generaatori kavitatsioonierosiooni testimist peatama, kui vedeliku temperatuur kaldub seatud väärtusest liiga palju kõrvale, nt ebapiisava jahutusvõimsuse tõttu. Generaator saab ultraheli töötlust automaatselt jätkata, kui vedelik on uuesti saavutanud määratud temperatuuri.

Kaviteeriv vedelik

Üldiselt kasutatakse kavitatsioonierosiooni katsetamisel vett, näiteks destilleeritud vett. Erinevad vedelikud näitavad erinevaid kavitatsiooniomadusi. Kui vesi on teie materjalile korrosiivne, võite soovida katsetada alternatiivseid vedelikke, näiteks väikese viskoossusega silikoonõlisid või orgaanilisi lahusteid, et korrosioonitegurit kõrvaldada või vähendada. Teise võimalusena võite vedelikku muuta korrosiivsemaks, nt pH muutmisega, või abrasiivsemaks, lisades abrasiivseid osakesi. Kavitatsioonierosiooni katsetamist saate kasutada vedelike erosiivsuse ja korrosiivsuse hindamiseks, näiteks puurimismuda puhul, või korrosiooni- ja erosiooniinhibiitorite tõhususe hindamiseks.

Mehaaniline töötlemine

Detaili või katsekeha valmistamisel kahjustavad CNC-töötlemine, lihvimine või poleerimine materjali pinna lähedast terastruktuuri. See vähendab erosioonikindlust.

Passiveerimis-/oksiidikihid

Väga sageli toimuvad erosioon ja korrosioon samal ajal. Vesi, näiteks destilleeritud, demineraliseeritud või ioonivahetatud vesi, võib paljudele materjalidele olla korrosiivne. Ultraheli kavitatsioon soodustab korrosiooni. Passiveerimiskihid, nt anodeeritud alumiiniumil, suurendavad materjali pinna vastupidavust erosioonile ja korrosioonile.

Millised piirangud on kavitatsioonierosiooni katsetamisel?

Mõned elastomeerid võivad vajada väga intensiivset kavitatsiooni, et üldse kavitatsioonierosiooni näidata. Sellisel juhul ei pruugi ultraheli töötlus (sonikeerimine) ilma rõhukambrita anda mõõdetavat mõju.