בדיקות מעשיות של ארוזיה עקב קוויטציה בציפויי ארד לשימוש ימי

בדיקת ארוזיה עקב קוויטציה מועילה ביותר כאשר היא מקשרת בין חשיפה מבוקרת במעבדה לבין בעיה הנדסית ממשית. דוגמה מעשית היא הערכת ציפויי ארד עמידים לקוויטציה עבור רכיבים ימיים כגון הגאים ומדחפים של אוניות. חלקים אלה פועלים באזורים שבהם תנודות לחץ מקומיות עלולות ליצור בועות אדים הקורסות סמוך לפני השטח ויוצרות עומסי הלם חוזרים בעוצמה גבוהה. לאורך זמן, הדבר גורם להיווצרות גומות, לנזקי התעייפות, לכשל בציפוי ולאובדן חומר.

בדיקת ארוזיה עקב קוויטציה בציפויי ארד

במחקרם של Hauer ועמיתיו הושוו ציפויי ארד שיוצרו בהתזה קרה, בהתזה חמה, בהתזת HVOF ובהתזת קשת חשמלית לארד ניקל־אלומיניום יצוק ולפלדה לבניית אוניות. השאלה המרכזית הייתה פשוטה: איזה תהליך ציפוי יכול לייצר משטח ארד שישרוד חשיפה לקוויטציה למשך זמן מספיק לשימוש ימי? כדי לענות עליה השתמשו החוקרים בבדיקת ארוזיה עקב קוויטציה המבוססת על ASTM G32-16 באמצעות מתקן רטט, ובכלל זה מערכת הרטט האולטרסונית Hielscher UIP1000hdT ששימשה כמערכת הבדיקה.

בקרה מדויקת של תנאי הבדיקה ורישום נתונים אוטומטי

הסוניקטור UIP1000hdT מתאים היטב לסוג זה של בדיקה, משום שהוא מספק אולטרסאונד בעוצמה גבוהה ובתדר נמוך, בטווח המשמש לבדיקות ארוזיה עקב קוויטציה. מערך בדיקת הארוזיה עקב קוויטציה המשתמש בסוניקטור בהספק של 1000 ואט פועל בתדר של 20 kHz ומאפשר ניטור מדויק של התהליך, בקרת משרעת, מדידת טמפרטורה ותיעוד אוטומטי של נתוני הבדיקה. פונקציות אלה חשובות משום שעוצמת הקוויטציה תלויה במידה רבה במשרעת, בטמפרטורת הנוזל, בלחץ הנוזל, בגאומטריית הסונוטרודה ובמרחק בין הסונוטרודה לדוגמת הבדיקה.

(a) בדיקת ארוזיה עקב קוויטציה לפי ASTM G32-16 באמצעות הסוניקטור UIP1000hd (שיטה עקיפה). כל פרמטרי הבדיקה הם ערכים נומינליים; הסבולות מפורטות בתקן.
(b) שלבים סכמטיים בעקומת הארוזיה כתלות בזמן ופרמטרים אופייניים בהליך הבדיקה.
איורים ומחקר: ©Hauer et al., 2021.

בדיקת ארוזיה עקב קוויטציה אולטרסונית בציפויי ארד

בדוגמה של ציפוי הארד לשימוש ימי בוצעה הבדיקה בתצורה העקיפה של ASTM G32. בתצורה זו דוגמת הבדיקה אינה מחוברת לקרן הרוטטת. במקום זאת, הסונוטרודה האולטרסונית יוצרת קוויטציה במים מזוקקים, ודוגמת הבדיקה המצופה מקובעת מתחת לסונוטרודה במרווח מוגדר. Hauer ועמיתיו השתמשו במרחק של 0.5 mm בין הדוגמה לסונוטרודה, בתדר של 20 kHz ובמשרעת משיא לשיא של 50 µm. נוזל הבדיקה היה מים מזוקקים, שנשמרו בקירוב בטמפרטורת החדר, בסביבות 25 °C.

הכנת דוגמת הבדיקה היא שלב קריטי. לפני החשיפה לקוויטציה הושחזו ולוטשו המשטחים המצופים בהדרגה, עד לשימוש בחומר שחיקה יהלומי עדין בגודל גרגרים קטן מ־4 µm. כך מצטמצמת השפעתם של חלקיקים המחוברים באופן רופף או של אי־אחידויות בפני השטח, שאחרת עלולים להתנתק מיד ולעוות את עקומת הארוזיה. המטרה אינה להקנות לציפוי מראה נאה, אלא ליצור מצב התחלתי שניתן לשחזרו, כך שאובדן המסה הנמדד ישקף עמידות לקוויטציה ולא הכנה לקויה של פני השטח.

הליך בדיקת הארוזיה עקב קוויטציה אולטרסונית ותוצאותיו

הליך הבדיקה המעשי פשוט. תחילה מנקים כל דגימה, מייבשים אותה ושוקלים אותה במאזניים מדויקים. לאחר מכן מתקינים אותה בתא הבדיקה מתחת לסונוטרודה BS4d22 של מכשיר הסוניקציה UIP1000hdT, תוך קביעת מרווח של 0.5 mm בקפידה ובאופן הניתן לשחזור. מכשיר הסוניקציה מופעל במשרעת ובתדר שהוגדרו, תוך בקרה על טמפרטורת הנוזל כדי למנוע מההתחממות לשנות את עוצמת הקוויטציה. לאחר פרק חשיפה מוגדר מוציאים את הדגימה, מנקים אותה, מייבשים אותה ושוקלים אותה שוב. חוזרים על רצף זה בפרקי חשיפה הולכים וגדלים, התלויים בחומר, עד שמתקבלת עקומת ארוזיה מלאה.
המדידה הגולמית היא אובדן מסה. לצורך השוואה הנדסית, ממירים את אובדן המסה לאובדן נפח באמצעות צפיפות החומר. לאחר מכן מחלקים את אובדן הנפח בשטח הפנים החשוף כדי לקבוע את עומק הארוזיה הממוצע. מתוך עקומת עומק הארוזיה יכול החוקר לחשב פרמטרים אופייניים של ארוזיה, כגון קצב הארוזיה המרבי, קצב הארוזיה הסופי ועומק הארוזיה הממוצע. Hielscher מציינת גם כי ניתן לדווח על ארוזיה כמסה, כנפח או כעומק חדירה ליחידת זמן או ליחידת אנרגיה אולטרסונית שסופקה, בהתאם לפרוטוקול שנבחר.

עומקי ארוזיה ממוצעים כפונקציה של פרמטרי איכות הציפוי המותאמים n. הרפיית האבקה, המפחיתה את חוזק האבקה, מאפשרת להגיע לאיכויות ציפוי גבוהות. התמונות המשובצות מציגות את הנזק לפני השטח שהתקבל לאחר זמן בדיקת קוויטציה של 100min.
גרפים ומחקר: ©Hauer et al., 2021.

לקח חשוב אחד ממחקרם של Hauer ועמיתיו הוא שקצבי הארוזיה בשלבים המוקדמים עלולים להטעות. ציפויים שיושמו בהתזה תרמית וקינטית הראו לעיתים קרובות אובדן חומר התחלתי גבוה, ולאחריו קצב ארוזיה נמוך ויציב יותר. מסיבה זו השתמשו Hauer ועמיתיו בקצב הארוזיה הסופי כמדד מייצג יותר לביצועי הציפוי לאורך זמן. בהשוואה שערכו במשך 120 דקות, קצב הארוזיה הסופי הוערך בעיקר מתוך המחצית השנייה של הבדיקה, לאחר יותר מ־60 דקות, כדי לאפיין טוב יותר את ההתנהגות לאחר התייצבותה.

תוצאות הבדיקה מראות מדוע מכשיר קוויטציה רוטט ומבוקר הוא בעל ערך. ברונזת ניקל־אלומיניום יצוקה הגיעה לקצב ארוזיה סופי של כ־0.40 µm/h. ברונזה שיושמה בהתזה חמה בתנאים מיטביים הגיעה ל־0.57 µm/h, קרוב לחומר הייחוס היצוק. ציפוי שיושם בהתזת קשת בתנאים מיטביים על פלדה לבניית אוניות הגיע לכ־1.02 µm/h, ואילו ציפוי HVOF בתנאים מיטביים הגיע לכ־1.74 µm/h. גם כאשר ציפויים אלה לא השתוו לחלוטין לברונזה יצוקה למדחפים, ביצועיהם עלו במידה ניכרת על אלה של פלדה לבניית אוניות; המחקר מדווח כי ציפויים שיושמו בהתזת קשת ובהתזת HVOF הגיעו לעמידות בפני קוויטציה גבוהה פי כ־26 ופי כ־16, בהתאמה, מזו של פלדת VL-A.

השתמשו במכשיר סוניקציה כמכשיר רוטט לבדיקות ארוזיה עקב קוויטציה

המסקנה המעשית היא שבדיקת ארוזיה עקב קוויטציה באמצעות מכשיר הסוניקציה UIP1000hdT כמכשיר רוטט יכולה לעשות יותר מדירוג חומרים. היא חושפת כיצד תהליך הציפוי, המיקרו־מבנה, תכולת התחמוצות, הנקבוביות, ההיקשרות בממשק והטיפול לאחר הציפוי משפיעים על התנהגות הארוזיה בפועל. Hauer ועמיתיו הסיקו כי התזת HVOF והתזת קשת עשויות להציע פשרה טובה בין ביצועים לעלות לצורך שיפור פני השטח של הגאי פלדה, ואילו התזה קרה והתזה חמה עדיפות כאשר נדרשת עמידות בפני קוויטציה הקרובה לזו של ברונזת ניקל־אלומיניום בגוש.

עבור מעבדות ומפתחי ציפויים, המפתח לתוצאות הניתנות לשחזור הוא בקרה קפדנית על פרמטרי הבדיקה: משרעת הסונוטרודה, התדר, המרחק בין הסונוטרודה לדגימה, טמפרטורת הנוזל, ההרכב הכימי של הנוזל, הכנת הדגימה, מרווחי הזמן בין השקילות וחישוב קצב הארוזיה. כאשר תנאים אלה מוגדרים, Hielscher UIP1000hdT מספק דרך מעשית וניתנת לשחזור להמיר קוויטציה אולטרסונית לנתונים כמותיים על ביצועי הציפוי.

גיליון עבודה לדוגמה לבדיקת ארוזיה עקב קוויטציה

 
כאן תוכלו למצוא הוראות לבדיקות ארוזיה עקב קוויטציה!

מערך לבדיקת ארוזיה עקב קוויטציה לפי ASTM G32

מכשירי הסוניקציה UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT ו-UIP2000hdT מתאימים לבדיקות לפי ASTM G32. אנו יכולים לספק כל אחת מהיחידות האלה עם פרוטוקול מדידת משרעת מדויק של המשרעת המכנית בקצה הסונוטרודה. אנו ממליצים להשתמש בכל אחד מהמכשירים האלה עם סונוטרודה BS4d22 (בקוטר 22mm) ועם מעמד ST2.

סונוטרודה בקוטר 15.9mm עם קצה מתחלף לפי ASTM G32 -16

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

המכשירים האולטרסוניים של Hielscher ידועים בסטנדרטים הגבוהים ביותר של איכות ותכנון. עמידות וקלות תפעול מאפשרות שילוב חלק של המכשירים האולטרסוניים שלנו במתקנים תעשייתיים. המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מתמודדים בקלות עם תנאים קשים וסביבות תובעניות.

Hielscher Ultrasonics היא חברה בעלת הסמכת ISO, והיא שמה דגש מיוחד על מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים, המצוידים בטכנולוגיה המתקדמת ביותר ונוחים למשתמש. כמובן, המכשירים האולטרסוניים של Hielscher תואמים לדרישות CE ועומדים בדרישות UL, CSA ו-RoHs.

ספרות / מקורות

• 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.