آزمون عملی فرسایش کاویتاسیون پوشش‌های برنزی دریایی

آزمایش فرسایش کاویتاسیون زمانی مفیدترین است که یک قرار گرفتن در معرض کنترل‌شده آزمایشگاهی را به یک مشکل مهندسی واقعی متصل کند. یک مثال عملی، ارزیابی پوشش‌های برنزی مقاوم در برابر کاویتاسیون برای قطعات دریایی مانند سکان‌ها و ملخ‌های کشتی است. این قطعات در مناطقی عمل می‌کنند که نوسانات فشار محلی می‌تواند حباب‌های بخار تولید کند که در نزدیکی سطح فرو می‌ریزند و بارهای ضربه‌ای با شدت بالا و مکرر ایجاد می‌کنند. با گذشت زمان، این موضوع باعث ایجاد سوراخ‌شدن، آسیب خستگی، خرابی پوشش و از دست رفتن ماده می‌شود.

آزمایش فرسایش کاویتاسیون پوشش‌های برنزی

در مطالعه Hauer و همکاران، پوشش های برنزی تولید شده از پاشش سرد، اسپری گرم، اسپری HVOF و اسپری قوسی با برنز آلومینیوم نیکل ریخته گری شده و فولاد کشتی سازی مقایسه شدند. سؤال اصلی ساده بود: کدام فرآیند پوشش می تواند سطحی برنزی ایجاد کند که به اندازه کافی در معرض کاویتاسیون برای خدمت دریایی باقی بماند؟ برای پاسخ به این سؤال، پژوهشگران از آزمایش فرسایش کاویتاسیون مبتنی بر ASTM G32-16 با دستگاه ارتعاشی استفاده کردند، از جمله سیستم ارتعاشی اولتراسونیک Hielscher UIP1000hdT به عنوان سیستم آزمایش.

کنترل دقیق شرایط آزمایش و ثبت خودکار داده ها

The sonicator UIP1000hdT is well suited for this type of test because it delivers high-intensity, low-frequency ultrasound in the range used for cavitation erosion testing. The cavitation erosion test setup using the 1000-watt sonicator operates at 20 kHz, and allows for precise process monitoring, amplitude control, temperature measurement, and automatic protocoling of test data. These functions are important because cavitation intensity depends strongly on amplitude, liquid temperature, liquid pressure, sonotrode geometry, and the distance between the sonotrode and specimen.

(الف) آزمون فرسایش کاویتاسیون مطابق با ASTM G32-16 با استفاده از سونیکاتور UIP1000hd (روش غیرمستقیم). تمام پارامترهای آزمون مقادیر اسمی هستند؛ تلورانس‌ها در استاندارد ذکر شده‌اند.
(ب) مراحل نموداری در منحنی فرسایش-زمان و پارامترهای مشخصه در رویه آزمون.
تصاویر و مطالعه: ©Hauer و همکاران، 2021.

آزمون فرسایش کاویتاسیون اولتراسونیک پوشش‌های برنزی

For the marine bronze coating example, the test was performed in the indirect ASTM G32 arrangement. In this configuration, the specimen is not attached to the vibrating horn. Instead, the ultrasonic sonotrode generates cavitation in distilled water, and the coated specimen is fixed beneath the sonotrode at a defined gap. Hauer et al. used a 0.5 mm distance between sample and sonotrode, a frequency of 20 kHz, and a peak-to-peak amplitude of 50 µm. The test liquid was distilled water, held at approximately room temperature, around 25 °C.

Specimen preparation is a critical step. Before cavitation exposure, the coated surfaces were stepwise ground and polished down to a fine diamond abrasive below 4 µm. This reduces the influence of loosely attached particles or surface irregularities that could otherwise detach immediately and distort the erosion curve. The goal is not to make the coating look good, but to create a reproducible starting condition so that measured mass loss reflects cavitation resistance rather than poor surface preparation.

The Procedure of Ultrasonic Cavitation Erosion Testing and its Results

The practical test procedure is straightforward. First, each specimen is cleaned, dried, and weighed on a precision balance. It is then mounted in the test cell beneath the sonotrode BS4d22 of the sonicator UIP1000hdT with the 0.5 mm gap set carefully and repeatably. The sonicator is operated at the defined amplitude and frequency, while the liquid temperature is controlled to prevent heating from changing cavitation intensity. After a defined exposure interval, the specimen is removed, cleaned, dried, and weighed again. This sequence is repeated over increasing, material-dependent exposure intervals until a complete erosion curve is obtained.
The raw measurement is mass loss. For engineering comparison, this mass loss is converted into volume loss using the material density. The volume loss is then divided by the exposed surface area to determine mean erosion depth. From the erosion-depth curve, the researcher can calculate characteristic erosion parameters such as maximum erosion rate, terminal erosion rate, and mean depth of erosion. Hielscher also notes that erosion can be reported as mass, volume, or penetration depth per time or per delivered ultrasonic energy, depending on the chosen protocol.

Mean erosion depths as function of adjusted coating quality parameters n. Powder annealing and thus reduced powder strength enables reaching high coating qualities. The inserts show the surface damage obtained after a cavitation testing time of 100min.
Graphs and study: ©Hauer et al., 2021.

One important lesson from the Hauer study is that early erosion rates can be misleading. Thermally and kinetically sprayed coatings often showed high initial material loss, followed by a lower, more stable erosion rate. For this reason, Hauer et al. used terminal erosion rate as a more representative indicator of long-term coating performance. In their 120-minute comparison, the terminal erosion rate was evaluated mainly from the second half of the test, above 60 minutes, to better capture the stabilized behavior.

The test results show why a controlled vibratory cavitation apparatus is valuable. Cast nickel aluminum bronze achieved a terminal erosion rate of about 0.40 µm/h. Optimized warm-sprayed bronze reached 0.57 µm/h, close to the cast reference. An optimized arc-sprayed coating on shipbuilding steel reached about 1.02 µm/h, while an optimized HVOF coating reached about 1.74 µm/h. Even when these coatings did not fully match cast propeller bronze, they dramatically outperformed shipbuilding steel; the study reports that arc-sprayed and HVOF-sprayed coatings achieved about 26 times and 16 times better cavitation resistance, respectively, than VL-A steel.

Use a Sonicator as Vibratory Apparatus for Your Cavitation Erosion Tests

The practical conclusion is that cavitation erosion testing with the UIP1000hdT sonicator as vibratory apparatus can do more than rank materials. It reveals how coating process, microstructure, oxide content, porosity, interface bonding, and post-treatment affect real erosion behavior. Hauer et al. concluded that HVOF and arc spraying can offer a strong performance-cost compromise for improving steel rudder surfaces, while cold and warm spraying are preferred when cavitation resistance close to bulk nickel aluminum bronze is required.

برای آزمایشگاه‌ها و توسعه‌دهندگان پوشش، کلید دستیابی به نتایج قابل تکرار کنترل دقیق پارامترهای آزمایش است: دامنه سونوتروود، فرکانس، فاصله سونوتروود تا نمونه، دمای مایع، شیمی مایع، آماده‌سازی نمونه، فواصل وزنی و محاسبه نرخ فرسایش. با تعریف این شرایط، دستگاه Hielscher UIP1000hdT روشی عملی و تکرارپذیر برای تبدیل کاویتاسیون اولتراسونیک به داده‌های کمی عملکرد پوشش فراهم می‌کند.

کاربرگ نمونه برای تست فرسایش کاویتاسیون

 
می‌توانید دستورالعمل‌های مربوط به آزمون‌های فرسایش کاویتاسیون را اینجا پیدا کنید!

راه‌اندازی آزمون فرسایش کاویتاسیون ASTM G32

سونیکاتورهای UIP500hdT، UIP1000hdT، UIP15000hdT و UIP2000hdT برای آزمایش ASTM G32 مناسب هستند. ما می‌توانیم هر یک از این واحدها را با دقت فراهم کنیم پروتکل اندازه گیری دامنه از نظر دامنه مکانیکی در نوک سونوتروود. ما توصیه می‌کنیم از هر یک از این دستگاه‌ها با یک سونوتروود BS4d22 (قطر 22 میلی‌متر) و پایه ST2 استفاده کنید.

ASTM G32 -16 15.9mm Sonotrode با نوک قابل تعویض

طراحی، ساخت و مشاوره – کیفیت ساخت آلمان

مافوق صوت Hielscher به خوبی برای بالاترین کیفیت و استانداردهای طراحی خود را شناخته شده. استحکام و بهره برداری آسان اجازه می دهد تا ادغام صاف از ultrasonicators ما به امکانات صنعتی. شرایط خشن و محیط های خواستار به راحتی توسط مافوق صوت Hielscher رسیده.

Hielscher اولتراسونیک یک شرکت دارای گواهینامه ISO است و تاکید ویژه ای بر مافوق صوت با کارایی بالا با ویژگی های دولت از هنر فن آوری و کاربر پسند قرار داده است. البته، مافوق صوت Hielscher مطابق با CE و دیدار با الزامات UL، CSA و RoHs.

ادبیات / منابع