בדיקות מעשיות של שחיקה כתוצאה מקוויטציה בציפויי ברונזה ימית

בדיקות שחיקה כתוצאה מקוויטציה מועילות ביותר כאשר הן מקשרות בין חשיפה מבוקרת במעבדה לבעיה הנדסית אמיתית. דוגמה מעשית לכך היא הערכת ציפויי ברונזה עמידים בפני קוויטציה עבור רכיבים ימיים כגון הגאים ומדחפים של ספינות. חלקים אלה פועלים באזורים שבהם תנודות לחץ מקומיות עלולות ליצור בועות אדים המתפוצצות בקרבת פני השטח, וגורמות לעומסי פגיעה חוזרים ונשנים בעוצמה גבוהה. עם הזמן, תופעה זו גורמת להיווצרות חורים, נזק מעייפות, כשל בציפוי ואובדן חומר.

בדיקת שחיקה כתוצאה מקוויטציה של ציפויי ברונזה

במחקר שערך Hauer et al., הושוו ציפויי ברונזה שיוצרו באמצעות ריסוס קר, ריסוס חם, ריסוס HVOF וריסוס קשת, אל מול ברונזה יצוקה של ניקל-אלומיניום ופלדת בניית ספינות. השאלה המרכזית הייתה פשוטה: איזה תהליך ציפוי יכול לייצר משטח ברונזה שיעמוד בחשיפה לקוויטציה למשך זמן מספיק לשירות ימי? כדי לענות על שאלה זו, החוקרים השתמשו במבחן שחיקה כתוצאה מקוויטציה המבוסס על תקן ASTM G32-16, תוך שימוש במכשיר רטט, כולל מערכת רטט אולטראסונית Hielscher UIP1000hdT כמערכת הבדיקה.

בקרה מדויקת על תנאי הבדיקה ותיעוד נתונים אוטומטי

הסוניקטור UIP1000hdT מתאים היטב לסוג בדיקה זה, שכן הוא מספק גלי קול בעוצמה גבוהה ובתדר נמוך, בטווח המשמש לבדיקות שחיקה כתוצאה מקוויטציה. מערכת בדיקת השחיקה הקוויטטיבית, המשתמשת במכשיר האולטראסוניק בהספק של 1000 וואט, פועלת בתדר של 20 kHz ומאפשרת ניטור מדויק של התהליך, בקרת משרעת, מדידת טמפרטורה ותיעוד אוטומטי של נתוני הבדיקה. פונקציות אלו חשובות מכיוון שעוצמת הקוויטציה תלויה במידה רבה באמפליטודה, בטמפרטורת הנוזל, בלחץ הנוזל, בגיאומטריית הסונוטרוד ובמרחק בין הסונוטרוד לדגימה.

(א) בדיקת שחיקה כתוצאה מקוויטציה בהתאם לתקן ASTM G32-16 באמצעות מכשיר הקוויטציה UIP1000hd (שיטה עקיפה). כל פרמטרי הבדיקה הם ערכים נומינליים; טווחי הסטייה מפורטים בתקן.
(ב) שלבים סכמטיים בעקומת השחיקה-זמן ופרמטרים אופייניים בהליך הבדיקה.
איורים ומחקר: ©Hauer et al., 2021.

בדיקת שחיקה באמצעות קוויטציה אולטראסונית של ציפויי ברונזה

בדוגמה של ציפוי ברונזה ימית, הבדיקה בוצעה בתצורה העקיפה של תקן ASTM G32. בתצורה זו, הדגימה אינה מחוברת לקרן הרוטטת. במקום זאת, הסונוטרוד האולטראסוני מייצר קוויטציה במים מזוקקים, והדגימה המצופה מקובעת מתחת לסונוטרוד במרווח מוגדר. Hauer et al. השתמשו במרחק של 0.5 מ"מ בין הדגימה לסונוטרוד, בתדר של 20 kHz ובמשרעת בין שיא לשיא של 50 µm. הנוזל שבוצע בו הבדיקה היה מים מזוקקים, שהוחזקו בטמפרטורת החדר בערך, סביב 25 °C.

הכנת הדגימות היא שלב קריטי. לפני החשיפה לקוויטציה, המשטחים המצופים נשייפו ולוטשו בשלבים באמצעות חומר ליטוש יהלום עדין עד לרמה של פחות מ-4 מיקרומטר. תהליך זה מפחית את השפעתם של חלקיקים שאינם מחוברים היטב או אי-סדרים במשטח, אשר עלולים להתנתק מיד ולעוות את עקומת השחיקה. המטרה אינה לגרום לציפוי להיראות טוב, אלא ליצור תנאי התחלה הניתנים לשחזור, כך שאובדן המסה הנמדד ישקף את עמידות הקוויטציה ולא את הכנת המשטח הלקויה.

תהליך בדיקת השחיקה באמצעות קוויטציה אולטראסונית ותוצאותיה

תהליך הבדיקה המעשי הוא פשוט. ראשית, כל דגימה מנוקת, מיובשת ונשקלת על מאזניים מדויקים. לאחר מכן, היא מותקנת בתא הבדיקה מתחת לסונוטרוד BS4d22 של מכשיר הסוניקטור UIP1000hdT, כאשר המרווח של 0.5 מ"מ מוגדר בקפידה ובאופן חוזר. מכשיר הסוניקטור מופעל בעוצמה ובתדר שהוגדרו, בעוד שטמפרטורת הנוזל נשלטת כדי למנוע חימום שישנה את עוצמת הקוויטציה. לאחר פרק חשיפה מוגדר, הדגימה מוסרת, מנוקת, מיובשת ונשקלת שוב. רצף זה חוזר על עצמו בפרקי חשיפה הולכים וגדלים, בהתאם לחומר, עד לקבלת עקומת שחיקה מלאה.
המדידה הגולמית היא אובדן מסה. לצורך השוואה הנדסית, אובדן מסה זה מומר לאובדן נפח באמצעות צפיפות החומר. לאחר מכן, אובדן הנפח מחולק בשטח הפנים החשוף כדי לקבוע את עומק השחיקה הממוצע. מתוך עקומת עומק השחיקה, החוקר יכול לחשב פרמטרים אופייניים לשחיקה, כגון קצב השחיקה המרבי, קצב השחיקה הסופי ועומק השחיקה הממוצע. היילשר מציין גם כי ניתן לדווח על השחיקה במונחים של מסה, נפח או עומק חדירה ליחידת זמן או ליחידת אנרגיית אולטראסאונד שהועברה, בהתאם לפרוטוקול הנבחר.

עומקי השחיקה הממוצעים כפונקציה של פרמטרי איכות הציפוי המותאמים n. חישול האבקה, וכתוצאה מכך הפחתת חוזק האבקה, מאפשרים השגת איכות ציפוי גבוהה. התמונות מציגות את הנזק שנגרם למשטח לאחר 100 דקות של בדיקת קוויטציה.
גרפים ומחקר: ©Hauer et al., 2021.

לקח חשוב אחד ממחקרו של האוור הוא שקצב השחיקה המוקדם עלול להטעות. ציפויים שהותזו בשיטות תרמיות וקינטיות הראו לעתים קרובות אובדן חומר ראשוני גבוה, שלאחריו נרשמה ירידה בקצב השחיקה, שהפך ליציב יותר. מסיבה זו, האוור ואחרים השתמשו בקצב השחיקה הסופי כמדד מייצג יותר לביצועי הציפוי בטווח הארוך. בהשוואה שביצעו, שארכה 120 דקות, קצב השחיקה הסופי הוערך בעיקר מהמחצית השנייה של הבדיקה, מעל 60 דקות, כדי לשקף טוב יותר את ההתנהגות היציבה.

תוצאות הבדיקה מראות מדוע מכשיר קוויטציה רטטני מבוקר הוא בעל ערך. ברונזה של ניקל-אלומיניום יצוקה השיגה קצב שחיקה סופי של כ-0.40 מיקרומטר לשעה. ברונזה מותזת בחום שעברה אופטימיזציה הגיעה ל-0.57 מיקרומטר לשעה, קרוב לערך הייחוס של החומר היצוק. ציפוי מותאם שהותז בקשת חשמלית על פלדת בניית ספינות הגיע לקצב של כ-1.02 מיקרומטר לשעה, בעוד שציפוי HVOF מותאם הגיע לקצב של כ-1.74 מיקרומטר לשעה. אף על פי שציפויים אלה לא השתוו במלואם לברונזה של מדחף יצוק, הם הציגו ביצועים טובים בהרבה מאלה של פלדת בניית ספינות; המחקר מדווח כי ציפויים המותזים בקשת וציפויים המותזים בשיטת HVOF השיגו עמידות בפני קוויטציה טובה פי 26 ו-16, בהתאמה, בהשוואה לפלדת VL-A.

השתמשו במכשיר סוניקטור כמכשיר רטט לניסויי השחיקה באמצעות קוויטציה שלכם

המסקנה המעשית היא שבדיקות שחיקה כתוצאה מקוויטציה, שבהן נעשה שימוש במכשיר הקול UIP1000hdT כמכשיר רטט, יכולות לעשות יותר מאשר רק לדרג חומרים. הן חושפות כיצד תהליך הציפוי, המיקרו-מבנה, תכולת התחמוצת, הנקבוביות, ההדבקה בין הממשקים והטיפול שלאחר הציפוי משפיעים על התנהגות השחיקה בפועל. Hauer et al. הסיקו כי ריסוס HVOF וריסוס קשת חשמלית יכולים להציע פשרה טובה בין ביצועים לעלות לצורך שיפור משטחי הגה מפלדה, בעוד שריסוס קר וחם עדיפים כאשר נדרשת עמידות בפני קוויטציה הקרובה לזו של ברונזה ניקל-אלומיניום מוצקה.

עבור מעבדות ומפתחי ציפויים, המפתח לתוצאות הניתנות לשחזור הוא בקרה קפדנית על פרמטרי הבדיקה: משרעת הסונוטרוד, התדר, המרחק בין הסונוטרוד לדגימה, טמפרטורת הנוזל, ההרכב הכימי של הנוזל, הכנת הדגימה, מרווחי השקילה וחישוב קצב השחיקה. כאשר תנאים אלה מוגדרים, מכשיר ה-Hielscher UIP1000hdT מספק דרך מעשית וניתנת לשחזור להמרת קוויטציה אולטראסונית לנתונים כמותיים על ביצועי הציפוי.

דף עבודה לדוגמה לבדיקת שחיקת קביטציה

 
כאן תוכלו למצוא הוראות לביצוע בדיקות שחיקה כתוצאה מקוויטציה!

מערכת לבדיקת שחיקה כתוצאה מקוויטציה לפי תקן ASTM G32

מכשירים הסוניקציה UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT ו-UIP2000hdT מתאימים לביצוע בדיקות לפי תקן ASTM G32. אנו יכולים לספק כל אחת מהיחידות הללו עם מד מדויק פרוטוקול מדידת משרעת של המשרעת המכנית בקצה הסונוטרוד. אנו ממליצים להשתמש באחד מהמכשירים הללו בשילוב עם סונוטרוד מדגם BS4d22 (בקוטר 22 מ"מ) ומעמד מדגם ST2.

סונוטרודה ASTM G32 -16 בקוטר 15.9 מ"מ עם קצה הניתן להחלפה

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

Hielscher ultrasonicators ידועים באיכות הגבוהה ביותר שלהם סטנדרטים עיצוב. חוסן ותפעול קל מאפשרים שילוב חלק של האולטרסאונד שלנו במתקנים תעשייתיים. תנאים קשים וסביבות תובעניות מטופלים בקלות על ידי אולטרסוניקטורים Hielscher.

Hielscher Ultrasonics היא חברה מוסמכת ISO לשים דגש מיוחד על ultrasonicators ביצועים גבוהים שמציעות טכנולוגיה חדישה וידידותיות למשתמש. כמובן, Hielscher ultrasonicators הם תואמי CE ולעמוד בדרישות של UL, CSA ו RoHs.

ספרות / מקורות