समुद्री उपयोग की कांस्य कोटिंगों का व्यावहारिक कैविटेशन अपरदन परीक्षण

कैविटेशन अपरदन परीक्षण सबसे अधिक उपयोगी तब होता है, जब वह नियंत्रित प्रयोगशाला परिस्थितियों में कैविटेशन के संपर्क को किसी वास्तविक इंजीनियरिंग समस्या से जोड़ता है। इसका एक व्यावहारिक उदाहरण जहाज़ के पतवारों और प्रोपेलरों जैसे समुद्री घटकों के लिए कैविटेशन-प्रतिरोधी कांस्य कोटिंगों का मूल्यांकन है। ये हिस्से ऐसे क्षेत्रों में काम करते हैं, जहाँ स्थानीय दबाव में उतार-चढ़ाव से वाष्प के बुलबुले बन सकते हैं, जो सतह के पास ढह जाते हैं और बार-बार उच्च तीव्रता वाले आघात भार उत्पन्न करते हैं। समय के साथ इससे सतह पर गड्ढे बनते हैं, श्रांति क्षति होती है, कोटिंग विफल होती है और सामग्री का ह्रास होता है।

कांस्य कोटिंगों का कैविटेशन अपरदन परीक्षण

Hauer और सहलेखकों के अध्ययन में, कोल्ड स्प्रेइंग, वार्म स्प्रेइंग, HVOF स्प्रेइंग और आर्क स्प्रेइंग से तैयार कांस्य कोटिंगों की तुलना ढलाई से बने निकेल एल्युमिनियम कांस्य और जहाज़ निर्माण में प्रयुक्त इस्पात से की गई। मुख्य प्रश्न सरल था: कौन-सी कोटिंग प्रक्रिया ऐसी कांस्य सतह बना सकती है, जो समुद्री उपयोग के लिए पर्याप्त समय तक कैविटेशन के संपर्क को सह सके? इसका उत्तर पाने के लिए शोधकर्ताओं ने कंपन उपकरण के साथ ASTM G32-16 पर आधारित कैविटेशन अपरदन परीक्षण किया, जिसमें परीक्षण प्रणाली के रूप में Hielscher UIP1000hdT अल्ट्रासोनिक कंपन प्रणाली भी शामिल थी।

परीक्षण परिस्थितियों का सटीक नियंत्रण और स्वचालित डेटा रिकॉर्डिंग

सोनिकेटर UIP1000hdT इस प्रकार के परीक्षण के लिए अच्छी तरह उपयुक्त है, क्योंकि यह कैविटेशन अपरदन परीक्षण में प्रयुक्त परास में उच्च तीव्रता वाला, कम आवृत्ति का अल्ट्रासाउंड प्रदान करता है। 1000-वाट सोनिकेटर का उपयोग करने वाली कैविटेशन अपरदन परीक्षण व्यवस्था 20 kHz पर काम करती है और प्रक्रिया की सटीक निगरानी, आयाम नियंत्रण, तापमान मापन तथा परीक्षण डेटा की स्वचालित रिकॉर्डिंग की सुविधा देती है। ये कार्य महत्वपूर्ण हैं, क्योंकि कैविटेशन की तीव्रता आयाम, द्रव के तापमान, द्रव के दबाव, सोनोट्रोड की ज्यामिति और सोनोट्रोड तथा परीक्षण नमूने के बीच की दूरी पर बहुत अधिक निर्भर करती है।

(a) सोनिकेटर UIP1000hd के साथ ASTM G32-16 के अनुसार कैविटेशन अपरदन परीक्षण (अप्रत्यक्ष विधि)। सभी परीक्षण प्राचल नाममात्र मान हैं; सहनशीलता सीमाएँ मानक में सूचीबद्ध हैं।
(b) अपरदन–समय वक्र में चरणों और परीक्षण प्रक्रिया के अभिलाक्षणिक प्राचलों का योजनाबद्ध निरूपण।
चित्र और अध्ययन: ©Hauer et al., 2021.

कांस्य कोटिंगों का अल्ट्रासोनिक कैविटेशन अपरदन परीक्षण

समुद्री उपयोग की कांस्य कोटिंग के उदाहरण में परीक्षण अप्रत्यक्ष ASTM G32 व्यवस्था में किया गया था। इस विन्यास में परीक्षण नमूना कंपन करने वाले हॉर्न से जुड़ा नहीं होता है। इसके बजाय, अल्ट्रासोनिक सोनोट्रोड आसुत जल में कैविटेशन उत्पन्न करता है और कोटिंग वाले परीक्षण नमूने को सोनोट्रोड के नीचे एक निर्धारित अंतराल पर स्थिर किया जाता है। Hauer और सहलेखकों ने नमूने और सोनोट्रोड के बीच 0.5 mm की दूरी, 20 kHz की आवृत्ति और 50 µm के शिखर-से-शिखर आयाम का उपयोग किया। परीक्षण द्रव आसुत जल था, जिसे लगभग कमरे के तापमान, यानी करीब 25 °C पर रखा गया था।

परीक्षण नमूने की तैयारी एक अत्यंत महत्वपूर्ण चरण है। कैविटेशन के संपर्क में लाने से पहले, कोटिंग वाली सतहों की चरणबद्ध घिसाई और पॉलिशिंग की गई, जिसमें अंततः 4 µm से छोटे आकार वाले महीन हीरा अपघर्षक का उपयोग किया गया। इससे ढीले जुड़े कणों या सतह की अनियमितताओं का प्रभाव कम होता है, जो अन्यथा तुरंत अलग होकर अपरदन वक्र को विकृत कर सकते हैं। उद्देश्य कोटिंग को सुंदर दिखाना नहीं, बल्कि ऐसी प्रारंभिक स्थिति तैयार करना है जिसे बार-बार पुनः प्राप्त किया जा सके, ताकि मापा गया द्रव्यमान ह्रास खराब सतह तैयारी के बजाय कैविटेशन प्रतिरोध को दर्शाए।

अल्ट्रासोनिक कैविटेशन अपरदन परीक्षण की प्रक्रिया और उसके परिणाम

व्यावहारिक परीक्षण प्रक्रिया सरल है। सबसे पहले, प्रत्येक नमूने को साफ करके सुखाया जाता है और एक परिशुद्ध तुला पर तौला जाता है। इसके बाद इसे परीक्षण सेल में सोनिकेटर UIP1000hdT के सोनोट्रोड BS4d22 के नीचे लगाया जाता है, जिसमें 0.5 mm का अंतर सावधानीपूर्वक और दोहराए जा सकने वाले तरीके से निर्धारित किया जाता है। सोनिकेटर को निर्धारित आयाम और आवृत्ति पर चलाया जाता है, जबकि द्रव का तापमान नियंत्रित किया जाता है, ताकि गर्म होने से कैविटेशन की तीव्रता न बदले। कैविटेशन के संपर्क की एक निर्धारित अवधि के बाद नमूने को निकालकर साफ किया जाता है, सुखाया जाता है और फिर से तौला जाता है। यह क्रम सामग्री पर निर्भर, क्रमशः बढ़ती संपर्क अवधियों के साथ तब तक दोहराया जाता है, जब तक एक पूर्ण अपरदन वक्र प्राप्त न हो जाए।
प्रत्यक्ष रूप से मापी जाने वाली मात्रा द्रव्यमान की हानि है। इंजीनियरिंग संबंधी तुलना के लिए, सामग्री के घनत्व का उपयोग करके इस द्रव्यमान हानि को आयतन हानि में परिवर्तित किया जाता है। फिर औसत अपरदन गहराई निर्धारित करने के लिए आयतन हानि को कैविटेशन के संपर्क में आने वाले सतह क्षेत्रफल से विभाजित किया जाता है। अपरदन गहराई के वक्र से शोधकर्ता अधिकतम अपरदन दर, अंतिम चरण की अपरदन दर और अपरदन की औसत गहराई जैसे विशिष्ट अपरदन मापदंडों की गणना कर सकता है। Hielscher यह भी बताता है कि चुने गए प्रोटोकॉल के आधार पर अपरदन को प्रति इकाई समय या प्रति इकाई प्रदत्त अल्ट्रासोनिक ऊर्जा के सापेक्ष द्रव्यमान, आयतन या प्रवेश गहराई के रूप में रिपोर्ट किया जा सकता है।

समायोजित कोटिंग गुणवत्ता मापदंडों n के फलन के रूप में औसत अपरदन गहराइयाँ। पाउडर की एनीलिंग और उसके परिणामस्वरूप पाउडर की कम हुई मज़बूती से उच्च कोटिंग गुणवत्ता प्राप्त करना संभव होता है। अंतःस्थ चित्र 100min के कैविटेशन परीक्षण समय के बाद प्राप्त सतह क्षति दिखाते हैं।
ग्राफ़ और अध्ययन: ©Hauer et al., 2021.

Hauer के अध्ययन से मिलने वाली एक महत्वपूर्ण सीख यह है कि शुरुआती अपरदन दरें भ्रामक हो सकती हैं। तापीय और गतिज छिड़काव से बनी कोटिंग में अक्सर शुरुआत में सामग्री की अधिक हानि देखी गई, जिसके बाद अपरदन दर कम और अधिक स्थिर हो गई। इसी कारण, Hauer और सहलेखकों ने कोटिंग के दीर्घकालिक प्रदर्शन के अधिक प्रतिनिधि संकेतक के रूप में अंतिम चरण की अपरदन दर का उपयोग किया। अपनी 120 मिनट की तुलना में, स्थिर हो चुके व्यवहार को बेहतर ढंग से समझने के लिए उन्होंने अंतिम चरण की अपरदन दर का मूल्यांकन मुख्यतः परीक्षण के दूसरे आधे भाग में, 60 मिनट के बाद किया।

परीक्षण के परिणाम दिखाते हैं कि नियंत्रित कंपनशील कैविटेशन उपकरण क्यों उपयोगी है। ढलाई से बने निकेल एल्युमिनियम कांस्य ने लगभग 0.40 µm/h की अंतिम चरण की अपरदन दर प्राप्त की। अनुकूलित वार्म स्प्रे विधि से बना कांस्य 0.57 µm/h तक पहुँचा, जो ढलाई से बने संदर्भ नमूने के करीब था। जहाज़ निर्माण इस्पात पर आर्क स्प्रे विधि से बनी एक अनुकूलित कोटिंग लगभग 1.02 µm/h तक पहुँची, जबकि एक अनुकूलित HVOF कोटिंग लगभग 1.74 µm/h तक पहुँची। हालाँकि ये कोटिंग ढलाई से बने प्रोपेलर कांस्य की पूरी तरह बराबरी नहीं कर सकीं, फिर भी इनका प्रदर्शन जहाज़ निर्माण इस्पात से बहुत बेहतर था; अध्ययन के अनुसार, आर्क स्प्रे और HVOF स्प्रे विधियों से बनी कोटिंग ने VL-A इस्पात की तुलना में क्रमशः लगभग 26 गुना और 16 गुना बेहतर कैविटेशन प्रतिरोध प्राप्त किया।

अपने कैविटेशन अपरदन परीक्षणों के लिए सोनिकेटर को कंपनशील उपकरण के रूप में उपयोग करें

व्यावहारिक निष्कर्ष यह है कि कंपनशील उपकरण के रूप में UIP1000hdT सोनिकेटर का उपयोग करके किया गया कैविटेशन अपरदन परीक्षण सामग्रियों की केवल रैंकिंग करने से अधिक जानकारी दे सकता है। यह दर्शाता है कि कोटिंग प्रक्रिया, सूक्ष्मसंरचना, ऑक्साइड की मात्रा, सरंध्रता, अंतरापृष्ठीय बंधन और पश्च-उपचार वास्तविक अपरदन व्यवहार को कैसे प्रभावित करते हैं। Hauer और सहलेखकों ने निष्कर्ष निकाला कि इस्पात के पतवारों की सतहों को बेहतर बनाने के लिए HVOF और आर्क स्प्रे विधियाँ प्रदर्शन और लागत के बीच एक अच्छा संतुलन प्रदान कर सकती हैं, जबकि जब ठोस निकेल एल्युमिनियम कांस्य के करीब कैविटेशन प्रतिरोध की आवश्यकता होती है, तब कोल्ड और वार्म स्प्रे विधियों को प्राथमिकता दी जाती है।

प्रयोगशालाओं और कोटिंग विकसित करने वालों के लिए, पुनरुत्पादनीय परिणामों की कुंजी परीक्षण मापदंडों का कठोर नियंत्रण है: सोनोट्रोड का आयाम, आवृत्ति, सोनोट्रोड और नमूने के बीच की दूरी, द्रव का तापमान, द्रव की रासायनिक प्रकृति, नमूने की तैयारी, तौलने के अंतराल और अपरदन दर की गणना। इन परिस्थितियों के निर्धारित होने पर, Hielscher UIP1000hdT अल्ट्रासोनिक कैविटेशन को कोटिंग के प्रदर्शन संबंधी मात्रात्मक डेटा में बदलने का एक व्यावहारिक और दोहराए जा सकने वाला तरीका प्रदान करता है।

कैविटेशन अपरदन परीक्षण के लिए नमूना कार्यपत्रक

 
कैविटेशन अपरदन परीक्षणों के निर्देश आपको यहाँ मिल सकते हैं!

ASTM G32 कैविटेशन अपरदन परीक्षण व्यवस्था

सोनिकेटर UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT और UIP2000hdT ASTM G32 परीक्षण के लिए उपयुक्त हैं। हम इनमें से प्रत्येक इकाई के साथ सोनोट्रोड की नोक पर यांत्रिक आयाम का एक सटीक आयाम मापन प्रोटोकॉल प्रदान कर सकते हैं। हम इनमें से किसी भी उपकरण का उपयोग सोनोट्रोड BS4d22 (22mm व्यास) और स्टैंड ST2 के साथ करने की अनुशंसा करते हैं।

ASTM G32 -16 बदलने योग्य टिप वाला 15.9mm सोनोट्रोड

डिज़ाइन, विनिर्माण और परामर्श – जर्मनी में निर्मित गुणवत्ता

Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर अपनी उच्चतम गुणवत्ता और डिज़ाइन मानकों के लिए प्रसिद्ध हैं। मज़बूती और आसान संचालन के कारण हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों को औद्योगिक सुविधाओं में सुगमता से एकीकृत किया जा सकता है। Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर कठिन परिस्थितियों और चुनौतीपूर्ण परिवेश में आसानी से काम करते हैं।

Hielscher Ultrasonics एक ISO प्रमाणित कंपनी है और अत्याधुनिक तकनीक तथा उपयोगकर्ता के लिए सुगमता वाले उच्च प्रदर्शन के अल्ट्रासोनिकेटरों पर विशेष ज़ोर देती है। निस्संदेह, Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर CE के अनुरूप हैं और UL, CSA तथा RoHs की आवश्यकताओं को पूरा करते हैं।

साहित्य / संदर्भ

• 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.