Praktično ispitivanje kavitacijske erozije brončanih prevlaka za pomorsku primjenu

Ispitivanje kavitacijske erozije najkorisnije je kada povezuje kontrolirano laboratorijsko izlaganje sa stvarnim inženjerskim problemom. Praktičan je primjer ocjenjivanje brončanih prevlaka otpornih na kavitaciju za pomorske komponente poput brodskih kormila i propelera. Ti dijelovi rade u područjima u kojima lokalne fluktuacije tlaka mogu stvoriti mjehuriće pare koji kolabiraju u blizini površine, stvarajući ponavljana udarna opterećenja visokog intenziteta. S vremenom to uzrokuje jamičasta oštećenja, oštećenja uslijed zamora, otkazivanje prevlake i gubitak materijala.

Ispitivanje kavitacijske erozije brončanih prevlaka

U istraživanju Hauera i suradnika brončane prevlake proizvedene hladnim naštrcavanjem, toplim naštrcavanjem, HVOF naštrcavanjem i naštrcavanjem električnim lukom uspoređene su s lijevanom nikal-aluminijskom broncom i brodograđevnim čelikom. Središnje pitanje bilo je jednostavno: kojim se postupkom nanošenja prevlake može proizvesti brončana površina koja podnosi izlaganje kavitaciji dovoljno dugo za uporabu u pomorstvu? Kako bi odgovorili na to pitanje, istraživači su proveli ispitivanje kavitacijske erozije na temelju norme ASTM G32-16 s vibracijskim uređajem, pri čemu je kao ispitni sustav upotrijebljen ultrazvučni vibracijski sustav Hielscher UIP1000hdT.

Precizna kontrola ispitnih uvjeta i automatsko bilježenje podataka

Sonikator UIP1000hdT vrlo je prikladan za ovu vrstu ispitivanja jer stvara ultrazvuk visokog intenziteta i niske frekvencije u rasponu koji se upotrebljava za ispitivanje kavitacijske erozije. Postav za ispitivanje kavitacijske erozije sa sonikatorom snage 1000 vata radi na 20 kHz te omogućuje precizno praćenje procesa, kontrolu amplitude, mjerenje temperature i automatsko bilježenje ispitnih podataka. Te su funkcije važne jer intenzitet kavitacije uvelike ovisi o amplitudi, temperaturi tekućine, tlaku tekućine, geometriji sonotrode i udaljenosti između sonotrode i ispitnog uzorka.

(a) Ispitivanje kavitacijske erozije prema normi ASTM G32-16 sa sonikatorom UIP1000hd (neizravna metoda). Svi ispitni parametri predstavljaju nazivne vrijednosti; tolerancije su navedene u normi.
(b) Shematski prikaz faza na krivulji ovisnosti erozije o vremenu i karakterističnih parametara u postupku ispitivanja.
Grafički prikazi i istraživanje: ©Hauer et al., 2021.

Ultrazvučno ispitivanje kavitacijske erozije brončanih prevlaka

U primjeru brončanih prevlaka za pomorsku primjenu ispitivanje je provedeno u neizravnom postavu prema normi ASTM G32. U toj konfiguraciji ispitni uzorak nije pričvršćen na vibrirajući ultrazvučni rog. Umjesto toga, ultrazvučna sonotroda stvara kavitaciju u destiliranoj vodi, a ispitni uzorak s prevlakom učvršćen je ispod sonotrode na određenom razmaku. Hauer i suradnici primijenili su udaljenost između uzorka i sonotrode od 0,5 mm, frekvenciju od 20 kHz i amplitudu od vrha do vrha od 50 µm. Ispitna tekućina bila je destilirana voda, održavana približno na sobnoj temperaturi, oko 25 °C.

Priprema ispitnih uzoraka ključan je korak. Prije izlaganja kavitaciji površine s prevlakom postupno su brušene i polirane sve do finog dijamantnog abraziva veličine zrna ispod 4 µm. Time se smanjuje utjecaj slabo pričvršćenih čestica ili površinskih nepravilnosti koje bi se inače mogle odmah odvojiti i iskriviti erozijsku krivulju. Cilj nije postići dobar izgled prevlake, nego stvoriti ponovljivo početno stanje kako bi izmjereni gubitak mase odražavao otpornost na kavitaciju, a ne lošu pripremu površine.

Postupak ultrazvučnog ispitivanja kavitacijske erozije i njegovi rezultati

Praktični postupak ispitivanja jednostavan je. Najprije se svaki ispitni uzorak očisti, osuši i izvaže na preciznoj vagi. Zatim se učvrsti u ispitnu ćeliju ispod sonotrode BS4d22 sonikatora UIP1000hdT, uz pažljivo i ponovljivo postavljanje razmaka od 0,5 mm. Sonikator radi pri zadanoj amplitudi i frekvenciji, a temperatura tekućine kontrolira se kako bi se spriječilo da zagrijavanje promijeni intenzitet kavitacije. Nakon zadanog intervala izlaganja uzorak se izvadi, očisti, osuši i ponovno izvaže. Taj se slijed ponavlja uz sve dulje intervale izlaganja, koji ovise o materijalu, dok se ne dobije potpuna krivulja erozije.
Izravno izmjerena veličina jest gubitak mase. Za inženjersku usporedbu taj se gubitak mase pretvara u gubitak volumena primjenom gustoće materijala. Gubitak volumena zatim se dijeli s izloženom površinom kako bi se odredila srednja dubina erozije. Iz krivulje dubine erozije istraživač može izračunati karakteristične parametre erozije, kao što su najveća brzina erozije, završna brzina erozije i srednja dubina erozije. Hielscher također navodi da se erozija može iskazati kao masa, volumen ili dubina prodiranja po jedinici vremena ili po jedinici dovedene ultrazvučne energije, ovisno o odabranom protokolu.

Srednje dubine erozije kao funkcija podešenih parametara kvalitete prevlake n. Žarenje praha, a time i smanjenje njegove čvrstoće, omogućuje postizanje visoke kvalitete prevlaka. Umetnuti prikazi pokazuju oštećenja površine nastala nakon 100min ispitivanja kavitacijom.
Grafikoni i istraživanje: ©Hauer et al., 2021.

Jedan važan zaključak Hauerova istraživanja jest da početne brzine erozije mogu zavarati. Prevlake nanesene toplinskim i kinetičkim naštrcavanjem često su pokazivale velik početni gubitak materijala, nakon čega je slijedila niža, stabilnija brzina erozije. Zbog toga su Hauer i suradnici upotrijebili završnu brzinu erozije kao reprezentativniji pokazatelj dugoročnih svojstava prevlake. U njihovoj usporedbi u trajanju od 120 minuta završna brzina erozije procjenjivala se uglavnom na temelju druge polovice ispitivanja, nakon 60 minuta, kako bi se bolje obuhvatilo stabilizirano ponašanje.

Rezultati ispitivanja pokazuju zašto je kontrolirani vibracijski uređaj za kavitaciju vrijedan. Lijevana nikl-aluminijska bronca postigla je završnu brzinu erozije od približno 0,40 µm/h. Optimizirana bronca nanesena toplim naštrcavanjem postigla je 0,57 µm/h, što je blizu lijevanom referentnom materijalu. Optimizirana prevlaka nanesena elektrolučnim naštrcavanjem na brodograđevni čelik postigla je približno 1,02 µm/h, dok je optimizirana HVOF prevlaka postigla približno 1,74 µm/h. Čak i kada te prevlake nisu u potpunosti dosegnule svojstva lijevane bronce za brodske vijke, znatno su nadmašile brodograđevni čelik; u istraživanju se navodi da su prevlake nanesene elektrolučnim naštrcavanjem i HVOF naštrcavanjem postigle približno 26 puta odnosno 16 puta bolju otpornost na kavitaciju od čelika VL-A.

Upotrijebite sonikator kao vibracijski uređaj za svoja ispitivanja kavitacijske erozije

Praktični je zaključak da ispitivanje kavitacijske erozije sonikatorom UIP1000hdT kao vibracijskim uređajem omogućuje više od rangiranja materijala. Ono otkriva kako postupak nanošenja prevlake, mikrostruktura, udio oksida, poroznost, vezivanje na međupovršini i naknadna obrada utječu na stvarno ponašanje pri eroziji. Hauer i suradnici zaključili su da HVOF i elektrolučno naštrcavanje mogu ponuditi vrlo povoljan kompromis između svojstava i troškova za poboljšanje površina čeličnih kormila, dok se hladno i toplo naštrcavanje preferiraju kada je potrebna otpornost na kavitaciju bliska onoj masivne nikl-aluminijske bronce.

Za laboratorije i stručnjake koji razvijaju prevlake ključ ponovljivih rezultata jest stroga kontrola ispitnih parametara: amplitude sonotrode, frekvencije, udaljenosti između sonotrode i uzorka, temperature tekućine, kemijskog sastava tekućine, pripreme ispitnih uzoraka, intervala vaganja i izračuna brzine erozije. Uz definirane navedene uvjete Hielscher UIP1000hdT pruža praktičan i ponovljiv način pretvaranja ultrazvučne kavitacije u kvantitativne podatke o svojstvima prevlake.

Primjer radnog lista za ispitivanje kavitacijske erozije

 
Ovdje možete pronaći upute za ispitivanja kavitacijske erozije!

Postav za ispitivanje kavitacijske erozije prema ASTM G32

Sonikatori UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT i UIP2000hdT prikladni su za ispitivanja prema normi ASTM G32. Svaki od tih uređaja možemo isporučiti s preciznim protokolom mjerenja mehaničke amplitude na vrhu sonotrode. Preporučujemo upotrebu bilo kojeg od tih uređaja sa sonotrodom BS4d22 (promjera 22mm) i stalkom ST2.

ASTM G32 -16 sonotroda od 15,9mm sa zamjenjivim vrhom

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Ultrazvučni uređaji Hielscher poznati su po najvišim standardima kvalitete i projektiranja. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Ultrazvučni uređaji Hielscher lako podnose teške uvjete i zahtjevna okruženja.

Hielscher Ultrasonics tvrtka je s ISO certifikatom koja poseban naglasak stavlja na ultrazvučne uređaje visokih performansi s najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnim rukovanjem. Naravno, ultrazvučni uređaji Hielscher sukladni su zahtjevima CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Literatura / reference

• 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.