Meripronssipinnoitteiden käytännön kavitaatioeroosiotestaus

Kavitaatioeroosiotestaus on hyödyllisintä silloin, kun se yhdistää kontrolloidun laboratoriokokeen todelliseen tekniseen ongelmaan. Käytännön esimerkkinä voidaan mainita kavitaatiota kestävien pronssipinnoitteiden arviointi merenkulun komponenteissa, kuten laivojen peräsimissä ja potkureissa. Nämä osat toimivat alueilla, joissa paikalliset painevaihtelut voivat aiheuttaa höyrykuplia, jotka romahtavat lähellä pintaa ja aiheuttavat toistuvia voimakkaita iskukuormituksia. Ajan myötä tämä aiheuttaa pistekorroosiota, väsymisvaurioita, pinnoitteen pettämistä ja materiaalin menetystä.

Pronssipinnoitteiden kavitaatioeroosiotesti

Hauerin ym. tutkimuksessa verrattiin kylmäruiskutuksella, lämminruiskutuksella, HVOF-ruiskutuksella ja kaariruiskutuksella tuotettuja pronssipinnoitteita valettuun nikkeli-alumiinipronssiin ja laivanrakennusteräkseen. Keskeinen kysymys oli yksinkertainen: millä pinnoitusmenetelmällä voidaan tuottaa pronssipinta, joka kestää kavitaatiovaikutuksia riittävän kauan merikäytössä? Vastauksen saamiseksi tutkijat käyttivät ASTM G32-16 -standardin mukaista kavitaatioeroosiotestiä, jossa testijärjestelmänä käytettiin värähtelylaitetta, mukaan lukien Hielscher UIP1000hdT -ultraäänivärähtelyjärjestelmä.

Testausolosuhteiden tarkka hallinta ja automaattinen tietojen tallennus

UIP1000hdT-ultraäänilaite sopii hyvin tämän tyyppisiin testeihin, koska se tuottaa korkean intensiteetin, matalataajuista ultraääntä juuri kavitatioeroosiotestauksessa käytetyllä taajuusalueella. 1000 watin ultraäänilaitteella toteutettu kavitaatioeroosiotestausjärjestelmä toimii 20 kHz:n taajuudella ja mahdollistaa prosessin tarkan seurannan, amplitudin säätelyn, lämpötilan mittauksen sekä testitietojen automaattisen protokollauksen. Nämä toiminnot ovat tärkeitä, koska kavitaation voimakkuus riippuu suuresti amplitudista, nesteen lämpötilasta, nesteen paineesta, sonotrodin geometriasta sekä sonotrodin ja testikappaleen välisestä etäisyydestä.

(a) Kavitaatioeroosiotesti standardin ASTM G32-16 mukaisesti UIP1000hd-ultraäänilaitteella (epäsuora menetelmä). Kaikki testiparametrit ovat nimellisarvoja; toleranssit on lueteltu standardissa.
(b) Eroosio-aikakäyrän kaaviomaiset vaiheet ja testausmenettelyn ominaisparametrit.
Kuvat ja tutkimus: ©Hauer ym., 2021.

Pronssipinnoitteiden ultraäänikavitaatiokestävyystesti

Meripronssipinnoitteen esimerkissä koe suoritettiin epäsuorassa ASTM G32 -järjestelyssä. Tässä kokoonpanossa koekappaletta ei kiinnitetä värähtelevään torveen. Sen sijaan ultraäänisonotrodi aiheuttaa kavitaatiota tislatussa vedessä, ja pinnoitettu koekappale kiinnitetään sonotrodin alle määritellylle etäisyydelle. Hauer ym. käyttivät näytteen ja sonotrodin välisenä etäisyytenä 0,5 mm, taajuutena 20 kHz ja huippuarvon välisenä amplitudina 50 µm. Testinesteenä käytettiin tislattua vettä, jonka lämpötila pidettiin suunnilleen huoneenlämpötilassa, noin 25 °C:ssa.

Näytteen valmistelu on kriittinen vaihe. Ennen kavitaatioaltistusta pinnoitetut pinnat hiottiin ja kiillotettiin vaiheittain hienolla, alle 4 µm:n timanttihioma-aineella. Tämä vähentää löyhästi kiinnittyneiden hiukkasten tai pinnan epätasaisuuksien vaikutusta, jotka muuten saattaisivat irrota välittömästi ja vääristää eroosiokäyrää. Tavoitteena ei ole saada pinnoitetta näyttämään hyvältä, vaan luoda toistettavat lähtöolosuhteet, jotta mitattu massahäviö heijastaa kavitaatiokestävyyttä eikä puutteellista pinnan esikäsittelyä.

Ultraäänikavitaatioeroosiotestauksen menettely ja sen tulokset

Käytännön testausmenettely on yksinkertainen. Ensin jokainen näyte puhdistetaan, kuivataan ja punnitaan tarkkuusvaakalla. Sen jälkeen se kiinnitetään testikammioon UIP1000hdT-ultraäänilaitteen sonotrodiin BS4d22 siten, että 0,5 mm:n rako on asetettu huolellisesti ja toistettavasti. Ultraäänilaitetta käytetään määritellyllä amplitudilla ja taajuudella, samalla kun nesteen lämpötilaa säädellään, jotta lämpeneminen ei muuta kavitaation voimakkuutta. Määritellyn altistumisajan kuluttua näyte poistetaan, puhdistetaan, kuivataan ja punnitaan uudelleen. Tätä menettelyä toistetaan materiaalin mukaan kasvavilla altistumisajoilla, kunnes saadaan täydellinen eroosiokäyrä.
Raakamittaus on massahäviö. Teknisen vertailun vuoksi tämä massahäviö muunnetaan tilavuushäviöksi materiaalin tiheyden avulla. Tilavuushäviö jaetaan sitten altistuneen pinta-alan mukaan keskimääräisen eroosiisyvyyden määrittämiseksi. Eroosi syvyyskäyrän avulla tutkija voi laskea eroosion ominaisparametreja, kuten suurimman eroosionopeuden, lopullisen eroosionopeuden ja keskimääräisen eroosion syvyyden. Hielscher huomauttaa myös, että eroosio voidaan ilmoittaa massana, tilavuutena tai tunkeutumissyvyytenä ajayksikköä tai syötettyä ultraäänienergiaa kohti, valitun protokollan mukaan.

Keskimääräiset eroosiissyvyydet suhteessa korjattuihin pinnoitteen laatuparametreihin n. Jauheen hehkutus ja siitä johtuva jauheen lujuuden heikkeneminen mahdollistavat korkean pinnoitteen laadun saavuttamisen. Lisäkuvissa näkyy pinnan vaurioituminen 100 minuutin kavitaatiotestauksen jälkeen.
Kaaviot ja tutkimus: ©Hauer ym., 2021.

Yksi Hauerin tutkimuksesta saatu tärkeä opetus on, että varhaiset eroosioasteet voivat olla harhaanjohtavia. Lämpö- ja kineettisesti ruiskutetuissa pinnoitteissa havaittiin usein suurta alkuvaiheen materiaalihukkaa, jota seurasi alhaisempi ja vakaampi eroosioaste. Tästä syystä Hauer ym. käyttivät lopullista eroosioastetta edustavampana indikaattorina pinnoitteen pitkäaikaisesta suorituskyvystä. Heidän 120 minuutin vertailussaan lopullista eroosiovauhtia arvioitiin pääasiassa testin toiselta puoliskolta, eli 60 minuutin jälkeen, jotta vakiintunut käyttäytyminen saatiin paremmin esiin.

Testitulokset osoittavat, miksi hallittu tärinäkavitaatiolaite on arvokas. Valetun nikkeli-alumiinipronssin lopullinen eroosiovauhti oli noin 0,40 µm/h. Optimoidun lämpösuihkutetun pronssin eroosiovauhti oli 0,57 µm/h, mikä on lähellä valetun vertailukappaleen arvoa. Laivanrakennusteräkselle levitetty optimoitu kaariruiskutettu pinnoite saavutti noin 1,02 µm/h, kun taas optimoitu HVOF-pinnoite saavutti noin 1,74 µm/h. Vaikka nämä pinnoitteet eivät täysin vastanneet valettua potkuripronssia, ne ylittivät laivanrakennusteräksen suorituskyvyn huomattavasti; tutkimuksen mukaan kaariruiskutetuilla ja HVOF-ruiskutetuilla pinnoitteilla saavutettiin noin 26-kertainen ja 16-kertainen kavitaatiokestävyys verrattuna VL-A-teräkseen.

Käytä Sonicatoria tärinälaitteena kavitaatioeroosiotesteissäsi

Käytännön johtopäätös on, että kavitaatioeroosiotestaus, jossa UIP1000hdT-ultraäänilaitetta käytetään värähtelylaitteena, tarjoaa enemmän kuin pelkän materiaalien luokittelun. Se paljastaa, kuinka pinnoitusprosessi, mikrorakenne, oksidipitoisuus, huokoisuus, rajapinnan tarttuvuus ja jälkikäsittely vaikuttavat todelliseen eroosiokäyttäytymiseen. Hauer ym. päättelivät, että HVOF- ja kaariruiskutus tarjoavat hyvän suorituskyky-kustannussuhteen teräksisten peräsinpintojen parantamiseen, kun taas kylmä- ja lämminruiskutusta suositellaan, kun vaaditaan kavitaatiokestävyyttä, joka on lähellä massiivisen nikkeli-alumiinipronssin tasoa.

Laboratorioille ja pinnoitteiden kehittäjille toistettavien tulosten avain on testiparametrien tiukka hallinta: sonotrodin amplitudi, taajuus, sonotrodin ja näytteen välinen etäisyys, nesteen lämpötila, nesteen kemiallinen koostumus, näytteen valmistelu, punnitusvälit sekä eroosioasteen laskeminen. Kun nämä olosuhteet on määritelty, Hielscher UIP1000hdT tarjoaa käytännöllisen ja toistettavan tavan muuntaa ultraäänikavitaatio kvantitatiivisiksi pinnoitteen suorituskykyä kuvaaviksi tiedoiksi.

Näytelaskentataulukko kavitaatioeroosion testausta varten

 
Ohjeet kavitaatioeroosiotesteihin löydät täältä!

ASTM G32 -kavitaatioeroosiotestin koejärjestely

Ultraäänilaitteet UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT ja UIP2000hdT soveltuvat ASTM G32 -testaukseen. Voimme toimittaa jokaisen näistä laitteista varustettuna tarkalla Amplitudin mittausprotokolla sonotrodin kärjessä mitatun mekaanisen amplitudin. Suosittelemme käyttämään jompaakumpaa näistä laitteista yhdessä sonotrodin BS4d22 (halkaisija 22 mm) ja jalustan ST2 kanssa.

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

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Laatu valmistettu Saksassa

Hielscher-ultraääniastiat ovat tunnettuja korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscher-ultraäänilaitteet käsittelevät helposti karkeita olosuhteita ja vaativia ympäristöjä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys ja painottaa erityisesti korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteita, joissa on huipputeknologia ja käyttäjäystävällisyys. Tietenkin, Hielscher-ultraäänilaitteet ovat CE-yhteensopivia ja täyttävät UL: n, CSA: n ja RoHs: n vaatimukset.

Kirjallisuus / Viitteet