آزمون عملی فرسایش کاویتاسیونی پوشش‌های برنزی دریایی

آزمون فرسایش کاویتاسیونی زمانی بیشترین کاربرد را دارد که مواجهه‌ای کنترل‌شده در آزمایشگاه را به یک مسئلهٔ واقعی مهندسی پیوند دهد. نمونه‌ای عملی، ارزیابی پوشش‌های برنزی مقاوم به کاویتاسیون برای قطعات دریایی مانند سکان‌ها و پروانه‌های کشتی است. این قطعات در نواحی‌ای کار می‌کنند که نوسانات موضعی فشار می‌تواند حباب‌های بخار ایجاد کند؛ این حباب‌ها در نزدیکی سطح فرو می‌پاشند و بارهای ضربه‌ای مکرر با شدت بالا پدید می‌آورند. این وضعیت به‌مرور زمان موجب حفره‌دارشدن سطح، آسیب خستگی، خرابی پوشش و اتلاف ماده می‌شود.

آزمون فرسایش کاویتاسیونی پوشش‌های برنزی

در مطالعهٔ Hauer et al.، پوشش‌های برنزی تولیدشده با پاشش سرد، پاشش گرم، پاشش HVOF و پاشش قوسی با برنز نیکل آلومینیوم ریختگی و فولاد کشتی‌سازی مقایسه شدند. پرسش اصلی ساده بود: کدام فرایند پوشش‌دهی می‌تواند سطحی برنزی ایجاد کند که در برابر مواجهه با کاویتاسیون، به‌اندازهٔ کافی برای کاربرد دریایی دوام بیاورد؟ برای پاسخ به این پرسش، پژوهشگران از آزمون فرسایش کاویتاسیونی مبتنی بر ASTM G32-16 با دستگاه ارتعاشی استفاده کردند که سامانهٔ ارتعاشی فراصوتی Hielscher UIP1000hdT نیز به‌عنوان سامانهٔ آزمون در آن به کار رفت.

کنترل دقیق شرایط آزمون و ثبت خودکار داده‌ها

سونیکاتور UIP1000hdT برای این نوع آزمون بسیار مناسب است، زیرا فراصوتی با شدت بالا و فرکانس پایین در محدودهٔ مورد استفاده برای آزمون فرسایش کاویتاسیونی تولید می‌کند. چیدمان آزمون فرسایش کاویتاسیونی با استفاده از سونیکاتور 1000 واتی در فرکانس 20 kHz کار می‌کند و امکان پایش دقیق فرایند، کنترل دامنه، اندازه‌گیری دما و ثبت خودکار داده‌های آزمون را فراهم می‌سازد. این قابلیت‌ها اهمیت دارند، زیرا شدت کاویتاسیون به‌شدت به دامنه، دمای مایع، فشار مایع، هندسهٔ سونوتْرود و فاصلهٔ بین سونوتْرود و نمونه وابسته است.

(a) آزمون فرسایش کاویتاسیونی مطابق با ASTM G32-16 با سونیکاتور UIP1000hd (روش غیرمستقیم). تمام پارامترهای آزمون مقادیر اسمی هستند؛ رواداری‌ها در استاندارد ذکر شده‌اند.
(b) نمایش شماتیک مراحل منحنی فرسایش–زمان و پارامترهای مشخصه در روش اجرای آزمون.
تصاویر و مطالعه: ©Hauer et al., 2021.

آزمون فرسایش کاویتاسیونی فراصوتی پوشش‌های برنزی

برای نمونهٔ پوشش برنزی دریایی، آزمون با آرایش غیرمستقیم ASTM G32 انجام شد. در این پیکربندی، نمونه به هورن مرتعش متصل نیست. در عوض، سونوتْرود فراصوتی در آب مقطر کاویتاسیون ایجاد می‌کند و نمونهٔ پوشش‌دار در زیر سونوتْرود، با فاصله‌ای مشخص، ثابت می‌شود. Hauer et al. از فاصلهٔ 0٫5 mm بین نمونه و سونوتْرود، فرکانس 20 kHz و دامنهٔ قله‌به‌قلهٔ 50 µm استفاده کردند. مایع آزمون آب مقطر بود که تقریباً در دمای اتاق، حدود 25 °C، نگه داشته شد.

آماده‌سازی نمونه مرحله‌ای حیاتی است. پیش از مواجهه با کاویتاسیون، سطوح پوشش‌دار به‌صورت مرحله‌ای سنگ‌زنی و صیقل‌کاری شدند و در مرحلهٔ نهایی از سایندهٔ الماسی ریزتر از 4 µm استفاده شد. این کار تأثیر ذرات سست‌متصل یا ناهمواری‌های سطحی را کاهش می‌دهد؛ در غیر این صورت، این ذرات یا ناهمواری‌ها ممکن است بلافاصله جدا شوند و منحنی فرسایش را مخدوش کنند. هدف، زیبا جلوه‌دادن پوشش نیست، بلکه ایجاد شرایط آغازین تکرارپذیر است تا افت جرم اندازه‌گیری‌شده بیانگر مقاومت به کاویتاسیون باشد، نه آماده‌سازی نامناسب سطح.

روش اجرای آزمون فرسایش کاویتاسیونی فراصوتی و نتایج آن

روش عملی اجرای آزمون ساده است. ابتدا هر نمونه تمیز و خشک می‌شود و با ترازوی دقیق توزین می‌گردد. سپس در سلول آزمون، زیر سونوتْرود BS4d22 سونیکاتور UIP1000hdT نصب می‌شود و فاصلهٔ 0٫5 mm با دقت و به‌صورت تکرارپذیر تنظیم می‌گردد. سونیکاتور در دامنه و فرکانس تعیین‌شده کار می‌کند و هم‌زمان دمای مایع کنترل می‌شود تا گرم‌شدن، شدت کاویتاسیون را تغییر ندهد. پس از یک بازهٔ مواجههٔ مشخص، نمونه خارج، تمیز و خشک می‌شود و دوباره توزین می‌گردد. این توالی در بازه‌های مواجهه‌ای که به‌تدریج افزایش می‌یابند و به جنس ماده وابسته‌اند، تکرار می‌شود تا منحنی کامل فرسایش به دست آید.
کمیت اولیهٔ اندازه‌گیری‌شده، افت جرم است. برای مقایسهٔ مهندسی، این افت جرم با استفاده از چگالی ماده به افت حجم تبدیل می‌شود. سپس افت حجم بر مساحت سطح در معرض کاویتاسیون تقسیم می‌شود تا عمق متوسط فرسایش تعیین گردد. پژوهشگر می‌تواند از منحنی عمق فرسایش، پارامترهای مشخصهٔ فرسایش مانند بیشینهٔ نرخ فرسایش، نرخ نهایی فرسایش و عمق متوسط فرسایش را محاسبه کند. Hielscher همچنین اشاره می‌کند که بسته به پروتکل انتخاب‌شده، فرسایش را می‌توان به‌صورت جرم، حجم یا عمق نفوذ به‌ازای واحد زمان یا واحد انرژی فراصوتی تحویلی گزارش کرد.

عمق‌های متوسط فرسایش برحسب پارامترهای تنظیم‌شدهٔ کیفیت پوشش n. بازپخت پودر و در نتیجه کاهش استحکام پودر، دستیابی به پوشش‌هایی با کیفیت بالا را امکان‌پذیر می‌کند. تصاویر درج‌شده در نمودار، آسیب سطحی حاصل پس از زمان آزمون کاویتاسیون 100min را نشان می‌دهند.
نمودارها و مطالعه: ©Hauer et al., 2021.

یکی از نکات مهم مطالعهٔ Hauer این است که نرخ‌های فرسایش اولیه می‌توانند گمراه‌کننده باشند. پوشش‌های حاصل از پاشش حرارتی و جنبشی اغلب در ابتدا اتلاف مادهٔ بالایی نشان دادند و پس از آن، نرخ فرسایش کمتر و پایدارتر شد. به همین دلیل، Hauer et al. از نرخ نهایی فرسایش به‌عنوان شاخصی گویاتر برای عملکرد بلندمدت پوشش استفاده کردند. در مقایسهٔ 120 دقیقه‌ای آن‌ها، نرخ نهایی فرسایش عمدتاً از نیمهٔ دوم آزمون، پس از 60 دقیقه، ارزیابی شد تا رفتار تثبیت‌شده بهتر ثبت شود.

نتایج آزمون نشان می‌دهد چرا دستگاه کاویتاسیون ارتعاشی با شرایط کنترل‌شده ارزشمند است. برنز نیکل آلومینیوم ریختگی به نرخ نهایی فرسایش حدود 0٫40 µm/h دست یافت. برنز بهینه‌شدهٔ حاصل از پاشش گرم به 0٫57 µm/h رسید که به نمونهٔ مرجع ریختگی نزدیک بود. پوشش بهینه‌شدهٔ حاصل از پاشش قوسی روی فولاد کشتی‌سازی به حدود 1٫02 µm/h رسید، در حالی که پوشش بهینه‌شدهٔ HVOF به حدود 1٫74 µm/h دست یافت. حتی زمانی که این پوشش‌ها کاملاً با برنز ریختگی پروانه برابری نمی‌کردند، عملکردشان به‌مراتب بهتر از فولاد کشتی‌سازی بود؛ این مطالعه گزارش می‌کند که پوشش‌های حاصل از پاشش قوسی و پاشش HVOF، به‌ترتیب، حدود 26 برابر و 16 برابر مقاومت بهتری در برابر کاویتاسیون نسبت به فولاد VL-A داشتند.

برای آزمون‌های فرسایش کاویتاسیونی خود از سونیکاتور به‌عنوان دستگاه ارتعاشی استفاده کنید

نتیجهٔ عملی این است که آزمون فرسایش کاویتاسیونی با سونیکاتور UIP1000hdT به‌عنوان دستگاه ارتعاشی، می‌تواند فراتر از رتبه‌بندی مواد عمل کند. این آزمون آشکار می‌سازد که فرایند پوشش‌دهی، ریزساختار، میزان اکسید، تخلخل، اتصال در فصل مشترک و عملیات پس از پوشش‌دهی چگونه بر رفتار واقعی فرسایش اثر می‌گذارند. Hauer et al. نتیجه گرفتند که پاشش HVOF و پاشش قوسی می‌توانند برای بهبود سطوح سکان‌های فولادی، توازن مطلوبی میان عملکرد و هزینه فراهم کنند؛ در حالی که اگر مقاومت به کاویتاسیون نزدیک به برنز نیکل آلومینیوم توده‌ای مورد نیاز باشد، پاشش سرد و گرم ترجیح داده می‌شوند.

برای آزمایشگاه‌ها و توسعه‌دهندگان پوشش، کلید دستیابی به نتایج تکرارپذیر، کنترل دقیق پارامترهای آزمون است: دامنهٔ سونوتْرود، فرکانس، فاصلهٔ سونوتْرود تا نمونه، دمای مایع، ترکیب شیمیایی مایع، آماده‌سازی نمونه، فواصل زمانی توزین و محاسبهٔ نرخ فرسایش. با تعیین این شرایط، Hielscher UIP1000hdT روشی عملی و تکرارپذیر برای تبدیل کاویتاسیون فراصوتی به داده‌های کمی عملکرد پوشش فراهم می‌کند.

نمونهٔ برگهٔ کار برای آزمون فرسایش کاویتاسیونی

 
دستورالعمل‌های آزمون‌های فرسایش کاویتاسیونی را می‌توانید اینجا بیابید!

چیدمان آزمون فرسایش کاویتاسیونی ASTM G32

سونیکاتورهای UIP500hdT، UIP1000hdT، UIP15000hdT و UIP2000hdT برای آزمون ASTM G32 مناسب هستند. می‌توانیم هر یک از این دستگاه‌ها را همراه با یک گزارش دقیق اندازه‌گیری دامنه برای دامنهٔ مکانیکی در نوک سونوتْرود عرضه کنیم. توصیه می‌کنیم هر یک از این دستگاه‌ها را با سونوتْرود BS4d22 (قطر 22mm) و پایهٔ ST2 استفاده کنید.

سونوتْرود 15٫9mm با نوک تعویض‌پذیر، ASTM G32 -16

طراحی، ساخت و مشاوره – کیفیت ساخت آلمان

دستگاه‌های فراصوتی Hielscher به برخورداری از بالاترین استانداردهای کیفیت و طراحی شهرت دارند. استحکام و سهولت کاربری، ادغام بی‌دردسر دستگاه‌های فراصوتی ما در تأسیسات صنعتی را ممکن می‌سازد. دستگاه‌های فراصوتی Hielscher به‌راحتی از عهدهٔ شرایط سخت و محیط‌های دشوار برمی‌آیند.

Hielscher Ultrasonics شرکتی دارای گواهینامهٔ ISO است و بر دستگاه‌های فراصوتی با عملکرد بالا، مجهز به فناوری روز و کاربرپسند، تأکید ویژه‌ای دارد. البته دستگاه‌های فراصوتی Hielscher با CE مطابقت دارند و الزامات UL، CSA و RoHs را برآورده می‌کنند.

منابع علمی / مراجع

• 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.