آزمون فرسایش کاویتاسیونی
فرسایش کاویتاسیونی در سطوح موادی رخ می‌دهد که در معرض کاویتاسیون شدید فراصوتی قرار دارند. آزمون فرسایش کاویتاسیونی روشی سریع برای اندازه‌گیری مقاومت مواد یا پوشش‌ها در برابر فرسایش ناشی از تنش شدید و سایر عوامل فرسایشی است. این آزمون امکان اندازه‌گیری کمّی آسان را برای کنترل کیفیت فراهم می‌کند و در پژوهش مواد یا تدوین فرمولاسیون پوشش‌ها نیز مفید است.
چرا از آزمون فرسایش کاویتاسیونی استفاده کنیم؟
فرسایش یا خوردگی مداوم ممکن است تعویض منظم قطعات یا تجدید پوشش‌های سطحی را ضروری کند. فرسایش سطح مواد بر اثر عوامل مکانیکی یا شیمیایی فرایندی آهسته است که به تخریب تدریجی سطوح مواد می‌انجامد. بنابراین، ارزیابی مقاومت مواد در برابر فرسایش یا اثر فرسایشی مایعات و دوغاب‌ها می‌تواند فرایندی بسیار زمان‌بر باشد.
آزمون فرسایش کاویتاسیونی فراصوتی، سطح ماده را در معرض چرخه‌های تنش کنترل‌شده، شدید و تکرارشونده قرار می‌دهد. این امر در زمانی کوتاه موجب فرسایش قابل‌توجه سطح ماده می‌شود. می‌توانید مقاومت در برابر فرسایش را به‌سرعت برای کنترل کیفیت منظم در تولید، ارزیابی مواد ورودی یا در طول تحقیق و توسعه اندازه‌گیری کنید.
کاربردهای متداول شامل آزمون‌های متالورژیکی، آزمون فرمولاسیون پوشش، آزمون اعمال پوشش یا ارزیابی بازدارنده‌های فرسایش در مایعات است.
چیدمان آزمون فرسایش کاویتاسیونی UIP1000hdT (1000W, 20kHz)
چرا کاویتاسیون موجب فرسایش سطح می‌شود؟
دستگاه‌های فراصوتی، مانند UP400St (400 وات, 24kHz) یا UIP1000hdT (1000 وات, 20kHz)، ارتعاشات فراصوتی را به مایعاتی مانند آب منتقل می‌کنند. حرکت رفت‌وبرگشتی سریع ناشی از ارتعاش در مایع، حباب‌های کاویتاسیون را ایجاد و متلاشی می‌کند. هنگام فروپاشی حباب‌ها، تنش مکانیکی موضعی شدیدی در مایع و بر سطوح مواد در معرض آن ایجاد می‌شود. جت‌های مایع با سرعتی تا 1000km/h و فشارهای موضعی تا 1000atm به خستگی سریع در سطح ماده منجر می‌شوند. این پدیده می‌تواند لایه‌های اکسیدی یا غیرفعال، پوشش‌ها یا رسوبات را از بین ببرد. همچنین می‌تواند در مواد جامدی مانند فولاد، تیتانیوم، آلومینیوم، پلاستیک یا شیشه حفره ایجاد کند. ازاین‌رو، آزمون فرسایش کاویتاسیونی یک روش آزمون مخرب است.
فرسایش کاویتاسیونی روی سطح تیتانیومی 40mm
آزمون فرسایش کاویتاسیونی چگونه انجام می‌شود؟
فرسایش کاویتاسیونی سطوح مواد باعث اتلاف تدریجی ماده می‌شود. می‌توانید میزان اتلاف ماده را به‌آسانی با توزین آن روی ترازوی دقیق، پیش و پس از قرارگیری در معرض فرسایش کاویتاسیونی تحت شرایط مشخص، اندازه‌گیری کنید. تغییر وزن معمول در آزمون فرسایش کاویتاسیونی بین 1 و 30mg است. برای استانداردسازی بیشتر، می‌توانید کاهش حجم را با تقسیم کاهش وزن بر چگالی ماده محاسبه کنید. عمق نفوذ میانگین (MDP) از تقسیم کاهش حجم بر مساحت سطح نمونه محاسبه می‌شود. همچنین می‌توانید عمق حفره‌ها یا حجم جابه‌جاشده را اندازه‌گیری کنید. برای دستیابی به اطلاعات کیفی بیشتر درباره الگوی فرسایش، می‌توانید از تحلیل میکروسکوپی استفاده کنید.
هنگامی که برای آزمون فرسایش کاویتاسیونی از دستگاه فراصوتی Hielscher استفاده می‌کنید، می‌توانید محدوده دما و فشار موردنظر برای کار را از پیش تنظیم کنید. دامنه فراصوت‌دهی نیز قابل تنظیم است. همه پارامترها پایش و نمایش داده می‌شوند و روی کارت SD ثبت می‌شوند. نیازی به نصب نرم‌افزار اختصاصی ندارید. در صورت تمایل، با اتصال دستگاه فراصوتی به رایانه از طریق کابل اترنت همراه دستگاه، می‌توانید فرایند فراصوتی را از مرورگر وب معمول خود کنترل و پایش کنید.
فرسایش کاویتاسیونی روی سطح تیتانیوم
روش استاندارد ASTM G32 برای فرسایش کاویتاسیونی با استفاده از دستگاه ارتعاشی چیست؟
استاندارد ASTM G32-16 روشی استانداردشده برای فرسایش کاویتاسیونی را شرح می‌دهد. این استاندارد آزمونی ساده، قابل‌کنترل و بازتولیدپذیر را برای اندازه‌گیری کمّی و مقایسه مقاومت مواد مختلف در برابر فرسایش کاویتاسیونی تعریف می‌کند. مشخصات ATSM G32-16 برای مقایسه نتایج شما با نتایج سایر منابع منتشرشده مفید است. اگر می‌خواهید آزمون فرسایش کاویتاسیونی را در کنترل کیفیت به کار بگیرید، توصیه می‌کنیم پروتکل آزمون فرسایش کاویتاسیونی را با نیازهای خاص خود تطبیق دهید. خوشحال می‌شویم در طراحی یک پروتکل اختصاصی آزمون فرسایش کاویتاسیونی به شما کمک کنیم. برای اطلاعات بیشتر درباره آزمون فرسایش کاویتاسیونی مطابق با ASTM-G32، اینجا کلیک کنید!
چرا باید به‌جای حد زمانی از حد انرژی استفاده کنم؟
بسیاری از منابع منتشرشده و پروتکل‌های آزمون فرسایش، مدت قرارگیری در معرض کاویتاسیون را مشخص می‌کنند. در دستگاه‌های فراصوتی Hielscher، می‌توانید زمان فراصوت‌دهی را از پیش تنظیم کنید تا سامانه پس از سپری شدن این زمان متوقف شود. سپس می‌توانید نرخ فرسایش کاویتاسیونی حاصل را بر حسب mm/hr یا mm3/hr محاسبه کنید. استفاده از حد زمانی تنها زمانی پذیرفتنی است که هیچ‌یک از پارامترها، مانند سطح مایع، دامنه، فشار، دما، ترکیب مایع یا فاصله بین سونوتْرود و سطح ماده را تغییر ندهید. با تغییر هر یک از این پارامترها، توان فراصوت‌دهی و شدت کاویتاسیون نیز تغییر می‌کند. نکته مهم این است که توان خالص واقعی تحویل‌داده‌شده به مایع نباید در طول آزمون نوسان داشته باشد.
در دستگاه‌های فراصوتی Hielscher می‌توانید حد انرژی تعیین کنید. در این حالت، دستگاه فراصوتی پس از تحویل مقدار مشخص‌شده انرژی فراصوتی متوقف می‌شود. دستگاه Hielscher پارامترهایی مانند توان خالص واقعی، دامنه، فشار و دمای مایع را نمایش می‌دهد و ثبت می‌کند. هنگام استفاده از حد انرژی، نوسانات توان یا تغییرات عمدی پارامترها جبران می‌شوند. سپس می‌توانید نرخ فرسایش کاویتاسیونی حاصل را بر حسب mm/kWhr، mm3/kWhr یا mg/kWhr بیان کنید.
اگر نمونه را بین دوره‌های فرسایش کاویتاسیونی وزن کنید، می‌توانید منحنی‌ای رسم کنید که کاهش وزن افزایشی (نرخ کاهش وزن در هر بازه انرژی) را بر حسب انرژی تجمعی نشان دهد.
برای دستیابی به نتایج دقیق‌تر، دستگاه می‌تواند کالیبراسیون خودکار انجام دهد (30 ثانیه). در این فرایند، توان برای تمام تنظیمات دامنه در هوا و تحت فشار محیط اندازه‌گیری می‌شود. دستگاه Hielscher از این داده‌های کالیبراسیون برای ارائه مقادیر بسیار دقیق توان خالص به‌صورت بلادرنگ استفاده می‌کند.
نمونه آزمون فرسایش کاویتاسیونی (ASTM G32 – 16)
نوک تعویض‌پذیر برای ASTM G32 – آزمون فرسایش کاویتاسیونی
چه عواملی بر فرسایش کاویتاسیونی تأثیر می‌گذارند؟
کاویتاسیون فراصوتی به فرسایش کاویتاسیونی منجر می‌شود. هرچه کاویتاسیون فراصوتی شدیدتر باشد، فرسایش سریع‌تر است. کاویتاسیون شدیدتر ممکن است سطوح موادی را فرسوده کند که کاویتاسیون بسیار ملایم اصلاً قادر به فرسایش آن‌ها نیست. بنابراین، ممکن است برای انجام آزمون فرسایش روی ماده شما حداقل شدتی لازم باشد.
دامنه فراصوتی
دامنه ارتعاش مهم‌ترین پارامتر تعیین‌کننده شدت فراصوت‌دهی و شدت کاویتاسیون حاصل است. دامنه‌های بالاتر، کاویتاسیون شدیدتری ایجاد می‌کنند. در فناوری فراصوت، دامنه به‌صورت قله‌به‌قله و بر حسب میکرون بیان می‌شود. دستگاه‌های فراصوتی Hielscher امکان تنظیم دامنه را در محدوده‌ای گسترده فراهم می‌کنند. پس از تنظیم، دستگاه دامنه را در تمام شرایط بار در سطح تنظیم‌شده حفظ می‌کند. این ویژگی برای دستیابی به شرایط قابل‌کنترل و تکرارپذیر در آزمون کاویتاسیون اهمیت دارد.
دستگاه‌های فراصوتی Hielscher به شما امکان می‌دهند آزمون فرسایش کاویتاسیونی را با دامنه‌هایی از تنها 2 میکرون تا 200 میکرون یا بیشتر انجام دهید.
فشار مایع هنگام فراصوت‌دهی
بسیاری از پروتکل‌های استاندارد آزمون فرسایش کاویتاسیونی از کاویتاسیون فراصوتی در فشار محیط استفاده می‌کنند. فشار مایع دومین عامل مهم تعیین‌کننده شدت فراصوت‌دهی است. افزایش 10% در فشار محیط، شدت فراصوت‌دهی را حدود 10% افزایش می‌دهد. کاویتاسیون شدیدتر زمان لازم برای دستیابی به درجه مشخصی از فرسایش کاویتاسیونی را کاهش می‌دهد. آزمون یک نمونه اغلب ممکن است بین 15 تا 120 دقیقه طول بکشد. اگر نمونه‌های زیادی برای آزمون دارید، کار در فشارهای بالاتر می‌تواند زمان هر آزمون را به‌طور چشمگیری کاهش دهد. آزمون‌ها در فشار 5 barg (73psig) برای هر آزمون به حدود 80% زمان کمتر نیاز دارند.
Hielscher سلول‌های آزمون آب‌بندی‌شده و مقاوم در برابر فشار، مجهز به حسگر دیجیتال فشار، برای آزمون فرسایش کاویتاسیونی عرضه می‌کند. با استفاده از سلول آب‌بندی‌شده و مقاوم در برابر فشار، می‌توانید فشار را در طول هر آزمون کنترل و حفظ کنید. مولد فراصوتی حسگر فشار را به‌طور مداوم پایش می‌کند و فشار واقعی را در یک فایل CSV سازگار با Excel روی کارت SD همراه دستگاه ثبت می‌کند. Hielscher تنظیم‌کننده‌های فشار را برای تنظیم و حفظ فشار عملیاتی عرضه می‌کند.
سلول‌های آزمون آب‌بندی‌شده و مقاوم در برابر فشار Hielscher برای آزمون فرسایش کاویتاسیونی، به‌صورت استاندارد برای فشار تا 5barg (73psig) طراحی شده‌اند. فشارهای بالاتر تا 300barg (4350psig) بنا به درخواست قابل ارائه است.
فرکانس فراصوتی
به‌طور کلی، در آزمون فرسایش کاویتاسیونی از فراصوت با فرکانس پایین و شدت بالا در محدوده 18–30kHz استفاده می‌شود. در این محدوده، تغییر فرکانس تأثیر بسیار محدودی بر شدت کاویتاسیون دارد. همه دستگاه‌های Hielscher با فرکانس ثابت کار می‌کنند.
سلول آزمون با ارتفاع قابل تنظیم برای آزمون فرسایش کاویتاسیونی (ASTM G32-16)
فاصله از سونوتْرود
ماده مورد آزمون را می‌توان به سونوتْرود متصل کرد یا زیر آن نصب کرد. می‌توانید از ماده یک نمونه رزوه‌دار بسازید و آن را به انتهای سونوتْرود فراصوتی متصل کنید. در این حالت، نمونه با دامنه فراصوتی تعیین‌شده ارتعاش می‌کند و روی سطح خود کاویتاسیون ایجاد می‌کند. این روش به ماشین‌کاری دقیق نیاز دارد و همه مواد برای آن مناسب نیستند.
روش دیگر این است که قطعه یا نمونه را در فاصله‌ای نزدیک زیر یک سونوتْرود تیتانیومی ثابت کنید. در این حالت، سونوتْرود تیتانیومی کاویتاسیون ایجاد می‌کند و سطح ماده در معرض آن قرار می‌گیرد. این گزینه راحت‌تر است، زیرا می‌توانید نمونه‌هایی با اندازه‌ها یا شکل‌های مختلف را در سلول آزمون قرار دهید. اگر از سونوتْرود بزرگ‌تری، مانند سونوتْرودی با قطر 50mm یا 80mm، استفاده کنید، می‌توانید چند قطعه را هم‌زمان در معرض فرسایش کاویتاسیونی قرار دهید. این قابلیت زمانی بسیار مفید است که لازم باشد روزانه قطعات زیادی را، برای مثال برای کنترل کیفیت، آزمایش کنید.
در هر دو حالت، فاصله بین سونوتْرود فراصوتی و سطح ماده مجاور آن بسیار مهم است. به‌طور کلی، با کاهش فاصله، فرسایش کاویتاسیونی سریع‌تر می‌شود. فاصله‌های معمول از 0٫2 تا 15mm هستند. برای دستیابی به نتایج قطعی، باید در همه آزمون‌ها از فاصله یکسان استفاده کنید.
دمای مایع
مایع گرم‌تر موجب کاهش شدت کاویتاسیون فراصوتی می‌شود. ورود انرژی ارتعاش مکانیکی به مایع باعث گرم شدن آن می‌شود. برای حفظ دمای ثابت در طول هر آزمون فرسایش کاویتاسیونی، لازم است مایع خنک شود. Hielscher ظروف ژاکت‌دار و سلول‌های ژاکت‌دار آب‌بندی‌شده و مقاوم در برابر فشار عرضه می‌کند. همچنین می‌توانید از یک کویل خنک‌کننده در بشر استفاده کنید یا بشر را در حمام یخ قرار دهید. سیال خنک‌کننده‌ای که در ژاکت یا کویل خنک‌کننده جریان می‌یابد، گرما را از مایع می‌گیرد.
دستگاه‌های فراصوتی Hielscher، مانند UP400St یا UIP1000hdT، همراه با پروب دمای PT100 عرضه می‌شوند. مولد فراصوتی دمای واقعی مایع را به‌طور پیوسته پایش می‌کند و دما را در یک فایل CSV سازگار با Excel روی کارت SD همراه دستگاه ثبت می‌کند. می‌توانید مولد را طوری تنظیم کنید که اگر دمای مایع، برای مثال به‌دلیل ظرفیت ناکافی خنک‌کاری، بیش از حد از نقطه تنظیم شما فاصله گرفت، آزمون فرسایش کاویتاسیونی را موقتاً متوقف کند. هنگامی که مایع دوباره به دمای تعیین‌شده برسد، مولد می‌تواند فراصوت‌دهی را به‌طور خودکار از سر بگیرد.
مایع تحت کاویتاسیون
به‌طور کلی، در آزمون فرسایش کاویتاسیونی از آب، مانند آب مقطر، استفاده می‌شود. مایعات مختلف ویژگی‌های کاویتاسیونی متفاوتی دارند. اگر آب برای ماده شما خورنده است، می‌توانید برای حذف یا کاهش عامل خوردگی، مایعات جایگزین مانند روغن‌های سیلیکونی با گرانروی پایین یا حلال‌های آلی را آزمایش کنید. همچنین می‌توانید مایع را، برای مثال با تغییر pH، خورنده‌تر کنید یا با افزودن ذرات ساینده، خاصیت سایندگی آن را افزایش دهید. می‌توانید از آزمون فرسایش کاویتاسیونی برای ارزیابی خاصیت فرسایندگی و خورندگی مایعاتی مانند گل‌های حفاری یا برای ارزیابی اثربخشی بازدارنده‌های خوردگی یا فرسایش استفاده کنید.
ماشین‌کاری
هنگام ساخت قطعه یا نمونه، ماشین‌کاری CNC، سنگ‌زنی یا پرداخت به ساختار دانه‌ای نزدیک سطح ماده آسیب می‌رسانند. این امر مقاومت در برابر فرسایش را کاهش می‌دهد.
لایه‌های غیرفعال/اکسیدی
در بسیاری از موارد، فرسایش و خوردگی هم‌زمان رخ می‌دهند. آب، مانند آب مقطر، آب بدون املاح یا آب دیونیزه، می‌تواند برای بسیاری از مواد خورنده باشد. کاویتاسیون فراصوتی خوردگی را تشدید می‌کند. لایه‌های غیرفعال، برای مثال در آلومینیوم آنودایزشده، مقاومت سطح ماده را در برابر فرسایش و خوردگی افزایش می‌دهند.
آزمون فرسایش کاویتاسیونی چه محدودیت‌هایی دارد؟
برخی الاستومرها ممکن است برای بروز هرگونه فرسایش کاویتاسیونی به قرارگیری در معرض کاویتاسیون بسیار شدید نیاز داشته باشند. در این حالت، فراصوت‌دهی بدون سلول تحت فشار ممکن است هیچ اثر قابل‌اندازه‌گیری نشان ندهد.
سونوتْرود 15٫9mm با نوک تعویض‌پذیر ASTM G32 -16
الگوی پروتکل آزمون فرسایش کاویتاسیونی
می‌توانید الگوی کاربرگ ما را در قالب‌های زیر دانلود کنید: PDF, Microsoft Excel XLS، یا Apple Numbers.
نمونه کاربرگ آزمون فرسایش کاویتاسیونی