Merikäyttöön tarkoitettujen pronssipinnoitteiden käytännön kavitaatioeroosiotestaus

Kavitaatioeroosiotestaus on hyödyllisintä silloin, kun se yhdistää hallitun laboratorioaltistuksen todelliseen tekniseen ongelmaan. Käytännön esimerkki on kavitaatiota kestävien pronssipinnoitteiden arviointi merikäyttöön tarkoitetuissa komponenteissa, kuten laivojen peräsimissä ja potkureissa. Nämä osat toimivat alueilla, joilla paikalliset painevaihtelut voivat synnyttää höyrykuplia, jotka romahtavat pinnan lähellä ja aiheuttavat toistuvia voimakkaita iskukuormituksia. Ajan myötä tämä aiheuttaa pistekuoppien muodostumista, väsymisvaurioita, pinnoitteen vaurioitumista ja materiaalihäviötä.

Pronssipinnoitteiden kavitaatioeroosiokoe

Hauerin ym. tutkimuksessa kylmäruiskutuksella, lämminruiskutuksella, HVOF-ruiskutuksella ja kaariruiskutuksella valmistettuja pronssipinnoitteita verrattiin valettuun nikkelialumiinipronssiin ja laivanrakennusteräkseen. Keskeinen kysymys oli yksinkertainen: millä pinnoitusmenetelmällä voidaan tuottaa pronssipinta, joka kestää kavitaatioaltistusta riittävän pitkään merikäyttöä varten? Vastatakseen tähän tutkijat käyttivät ASTM G32-16 -standardiin perustuvaa kavitaatioeroosiokoetta värähtelylaitteistolla, jonka testijärjestelmänä käytettiin Hielscher UIP1000hdT -ultraäänivärähtelyjärjestelmää.

Koeolosuhteiden tarkka hallinta ja automaattinen tietojen tallennus

Ultraäänilaite UIP1000hdT soveltuu hyvin tämäntyyppisiin kokeisiin, koska se tuottaa voimakasta, matalataajuista ultraääntä kavitaatioeroosiotestauksessa käytetyllä taajuusalueella. Kavitaatioeroosiokokeen koejärjestely, jossa käytetään 1 000 watin ultraäänilaitetta, toimii 20 kHz:n taajuudella ja mahdollistaa tarkan prosessiseurannan, amplitudin säädön, lämpötilan mittauksen ja koetietojen automaattisen kirjaamisen. Nämä toiminnot ovat tärkeitä, koska kavitaation voimakkuus riippuu suuresti amplitudista, nesteen lämpötilasta, nesteen paineesta, sonotrodin geometriasta sekä sonotrodin ja koekappaleen välisestä etäisyydestä.

(a) ASTM G32-16 -standardin mukainen kavitaatioeroosiokoe ultraäänilaitteella UIP1000hd (epäsuora menetelmä). Kaikki koeparametrit ovat nimellisarvoja; toleranssit on lueteltu standardissa.
(b) Eroosio–aika-käyrän vaiheet kaavamaisesti ja koemenettelyn ominaisparametrit.
Kuvat ja tutkimus: ©Hauer et al., 2021.

Pronssipinnoitteiden ultraäänikavitaatioeroosiokoe

Merikäyttöön tarkoitetun pronssipinnoitteen esimerkkitapauksessa koe suoritettiin ASTM G32 -standardin mukaisella epäsuoralla koejärjestelyllä. Tässä järjestelyssä koekappaletta ei kiinnitetä värähtelevään torveen. Sen sijaan ultraäänisonotrodi synnyttää kavitaatiota tislatussa vedessä, ja pinnoitettu koekappale kiinnitetään sonotrodin alapuolelle määrätyn etäisyyden päähän. Hauer ym. käyttivät näytteen ja sonotrodin välisenä etäisyytenä 0,5 mm, taajuutena 20 kHz ja huipusta huippuun -amplitudina 50 µm. Koenesteenä oli tislattu vesi, joka pidettiin suunnilleen huoneenlämpöisenä, noin 25 °C:ssa.

Koekappaleen valmistelu on ratkaiseva vaihe. Ennen kavitaatioaltistusta pinnoitetut pinnat hiottiin ja kiillotettiin vaiheittain käyttäen lopuksi hienoa timanttihioma-ainetta, jonka raekoko oli alle 4 µm. Tämä vähentää löyhästi kiinnittyneiden hiukkasten tai pinnan epätasaisuuksien vaikutusta, sillä ne voisivat muuten irrota välittömästi ja vääristää eroosiokäyrää. Tavoitteena ei ole saada pinnoitetta näyttämään hyvältä vaan luoda toistettava lähtötilanne, jotta mitattu massahäviö kuvastaa kavitaationkestävyyttä eikä puutteellista pinnan valmistelua.

Ultraäänikavitaatioeroosiotestauksen menettely ja tulokset

Käytännön koemenettely on suoraviivainen. Ensin jokainen koekappale puhdistetaan, kuivataan ja punnitaan tarkkuusvaa’alla. Sen jälkeen se asennetaan koekennoon ultraäänilaitteen UIP1000hdT sonotrodin BS4d22 alapuolelle siten, että 0,5 mm:n väli asetetaan huolellisesti ja toistettavasti. Ultraäänilaitetta käytetään määritetyllä amplitudilla ja taajuudella, ja nesteen lämpötilaa säädetään, jotta lämpeneminen ei muuta kavitaation voimakkuutta. Määritetyn altistusjakson jälkeen koekappale poistetaan, puhdistetaan, kuivataan ja punnitaan uudelleen. Tätä vaiheketjua toistetaan pitenevillä, materiaalista riippuvilla altistusjaksoilla, kunnes saadaan täydellinen eroosiokäyrä.
Suoraan mitattava suure on massahäviö. Teknistä vertailua varten tämä massahäviö muunnetaan tilavuushäviöksi materiaalin tiheyden avulla. Tilavuushäviö jaetaan sitten altistuneen pinnan pinta-alalla keskimääräisen eroosiosyvyyden määrittämiseksi. Eroosiosyvyyskäyrästä tutkija voi laskea eroosion ominaisparametreja, kuten suurimman eroosionopeuden, loppuvaiheen eroosionopeuden ja keskimääräisen eroosiosyvyyden. Hielscher toteaa myös, että eroosio voidaan ilmoittaa massana, tilavuutena tai tunkeutumissyvyytenä aikayksikköä tai syötettyä ultraäänienergiaa kohti valitun koemenettelyn mukaan.

Keskimääräiset eroosiosyvyydet säädettyjen pinnoitteen laatuparametrien n funktiona. Jauheen hehkutus ja siitä seuraava jauheen lujuuden aleneminen mahdollistavat pinnoitteiden korkean laadun saavuttamisen. Sisäkuvat esittävät pintavauriot 100min:n kavitaatiokoeajan jälkeen.
Kuvaajat ja tutkimus: ©Hauer et al., 2021.

Yksi Hauerin tutkimuksen tärkeä havainto on, että alkuvaiheen eroosionopeudet voivat olla harhaanjohtavia. Termisesti ja kineettisesti ruiskutetuissa pinnoitteissa havaittiin usein suurta alkuvaiheen materiaalihäviötä, jota seurasi pienempi ja vakaampi eroosionopeus. Tästä syystä Hauer ym. käyttivät loppuvaiheen eroosionopeutta edustavampana pinnoitteen pitkäaikaisen suorituskyvyn mittarina. Heidän 120 minuutin vertailussaan loppuvaiheen eroosionopeus arvioitiin pääasiassa kokeen jälkipuoliskolta, yli 60 minuutin kohdalta, jotta vakiintunut käyttäytyminen saatiin paremmin kuvattua.

Koetulokset osoittavat, miksi hallittu värähtelevä kavitaatiolaitteisto on hyödyllinen. Valetun nikkelialumiinipronssin loppuvaiheen eroosionopeus oli noin 0,40 µm/h. Optimoitu lämminruiskutettu pronssi saavutti arvon 0,57 µm/h, joka oli lähellä valetun vertailumateriaalin arvoa. Laivanrakennusteräksen päälle tehty optimoitu kaariruiskutettu pinnoite saavutti noin 1,02 µm/h:n arvon, kun taas optimoitu HVOF-pinnoite saavutti noin 1,74 µm/h:n arvon. Vaikka nämä pinnoitteet eivät täysin yltäneet valetun potkuripronssin tasolle, ne olivat huomattavasti laivanrakennusterästä parempia; tutkimuksen mukaan kaariruiskutetut pinnoitteet saavuttivat noin 26 kertaa ja HVOF-ruiskutetut pinnoitteet noin 16 kertaa paremman kavitaationkestävyyden kuin VL-A-teräs.

Käytä ultraäänilaitetta värähtelylaitteistona kavitaatioeroosiokokeissasi

Käytännön johtopäätös on, että kavitaatioeroosiotestaus, jossa ultraäänilaitetta UIP1000hdT käytetään värähtelylaitteistona, tarjoaa muutakin kuin materiaalien asettamisen paremmuusjärjestykseen. Se osoittaa, miten pinnoitusmenetelmä, mikrorakenne, oksidipitoisuus, huokoisuus, rajapinnan tartunta ja jälkikäsittely vaikuttavat todelliseen eroosiokäyttäytymiseen. Hauer ym. päättelivät, että HVOF- ja kaariruiskutus voivat tarjota hyvän kompromissin suorituskyvyn ja kustannusten välillä teräksisten peräsinpintojen parantamiseksi, kun taas kylmä- ja lämminruiskutusta suositaan silloin, kun vaaditaan lähellä massiivisen nikkelialumiinipronssin tasoa olevaa kavitaationkestävyyttä.

Laboratorioille ja pinnoitteiden kehittäjille toistettavien tulosten avain on koeparametrien tarkka hallinta: sonotrodin amplitudi, taajuus, sonotrodin ja näytteen välinen etäisyys, nesteen lämpötila, nesteen kemiallinen koostumus, koekappaleen valmistelu, punnitusvälit ja eroosionopeuden laskenta. Kun nämä olosuhteet on määritetty, Hielscher UIP1000hdT tarjoaa käytännöllisen ja toistettavan tavan muuntaa ultraäänikavitaatio määrälliseksi tiedoksi pinnoitteiden suorituskyvystä.

Kavitaatioeroosiotestauksen esimerkkityölehti

 
Kavitaatioeroosiokokeiden ohjeet löydät täältä!

ASTM G32 -kavitaatioeroosiokokeen koejärjestely

Ultraäänilaitteet UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT ja UIP2000hdT soveltuvat ASTM G32 -testaukseen. Voimme toimittaa jokaisen näistä laitteista mukana tarkan amplitudin mittausdokumentaation sonotrodin kärjen mekaanisesta amplitudista. Suosittelemme käyttämään jotakin näistä laitteista sonotrodin BS4d22 (halkaisija 22mm) ja jalustan ST2 kanssa.

ASTM G32 -16 15,9mm:n sonotrodi vaihdettavalla kärjellä

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Saksassa valmistettua laatua

Hielscherin ultraäänilaitteet tunnetaan korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Vankka rakenne ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscherin ultraäänilaitteet selviytyvät helposti ankarista olosuhteista ja vaativista ympäristöistä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys, joka painottaa erityisesti suorituskykyisiä ultraäänilaitteita, joissa yhdistyvät uusinta tekniikkaa edustavat ratkaisut ja käyttäjäystävällisyys. Hielscherin ultraäänilaitteet ovat luonnollisesti CE-vaatimusten mukaisia ja täyttävät UL-, CSA- ja RoHs-vaatimukset.

Kirjallisuus / Lähteet

• 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.