Praktično ispitivanje erozije uzrokovane kavitacijom morskih brončanih premaza

Testiranje erozije uzrokovane kavitacijom najkorisnije je kada povezuje kontroliranu laboratorijsku izloženost s stvarnim inženjerskim problemom. Praktičan primjer je procjena brončanih premaza otpornih na kavitaciju za pomorske komponente poput kormila i propelera brodova. Ti dijelovi rade u zonama gdje lokalna fluktuacija tlaka može stvoriti mjehuriće pare koji se urušavaju u blizini površine, stvarajući ponovljena udarna opterećenja visoke intenzitete. S vremenom to uzrokuje točkasto propadanje, umorno oštećenje, otkazivanje premaza i gubitak materijala.

Test erozije uzrokovane kavitacijom brončanih premaza

U studiji Hauera i suradnika, brončani premazi dobiveni hladnim prskanjem, toplim prskanjem, HVOF prskanjem i lukom uspoređivani su s lijevanim niklom, aluminij-broncom i brodograditeljskim čelikom. Središnje pitanje bilo je jednostavno: koji proces premazivanja može proizvesti brončanu površinu koja dovoljno dugo izdrži izloženost kavitaciji za pomorsku službu? Kako bi odgovorili na njega, istraživači su koristili test kavitacijske erozije temeljen na ASTM G32-16 s vibracijskim aparatom, uključujući Hielscher UIP1000hdT ultrazvučni vibratorni sustav kao testni sustav.

Precizna kontrola uvjeta ispitivanja i automatsko snimanje podataka

The sonicator UIP1000hdT is well suited for this type of test because it delivers high-intensity, low-frequency ultrasound in the range used for cavitation erosion testing. The cavitation erosion test setup using the 1000-watt sonicator operates at 20 kHz, and allows for precise process monitoring, amplitude control, temperature measurement, and automatic protocoling of test data. These functions are important because cavitation intensity depends strongly on amplitude, liquid temperature, liquid pressure, sonotrode geometry, and the distance between the sonotrode and specimen.

(a) Test erozije uslijed kavitacije prema ASTM G32-16 uz sonicator UIP1000hd (neizravna metoda). Svi parametri testa su nominalne vrijednosti; tolerancije su navedene u standardu.
(b) Shematske faze na krivulji erozija-vrijeme i karakteristični parametri u postupku testa.
Grafika i studija: ©Hauer i sur., 2021.

Ultrazvučni test erozije kavitacijom brončanih premaza

For the marine bronze coating example, the test was performed in the indirect ASTM G32 arrangement. In this configuration, the specimen is not attached to the vibrating horn. Instead, the ultrasonic sonotrode generates cavitation in distilled water, and the coated specimen is fixed beneath the sonotrode at a defined gap. Hauer et al. used a 0.5 mm distance between sample and sonotrode, a frequency of 20 kHz, and a peak-to-peak amplitude of 50 µm. The test liquid was distilled water, held at approximately room temperature, around 25 °C.

Priprema uzorka je ključni korak. Prije izlaganja kavitaciji, obložene površine su se postupno brusile i polirale do finog dijamantnog abraziva ispod 4 μm. To smanjuje utjecaj labavo pričvršćenih čestica ili nepravilnosti na površini koje bi se inače mogle odmah odvojiti i iskriviti krivulju erozije. Cilj nije da premaz izgleda dobro, već da se stvori ponovljivo početno stanje tako da izmjereni gubitak mase odražava otpornost na kavitaciju, a ne lošu pripremu površine.

Postupak ultrazvučnog ispitivanja erozije kavitacije i njegovi rezultati

The practical test procedure is straightforward. First, each specimen is cleaned, dried, and weighed on a precision balance. It is then mounted in the test cell beneath the sonotrode BS4d22 of the sonicator UIP1000hdT with the 0.5 mm gap set carefully and repeatably. The sonicator is operated at the defined amplitude and frequency, while the liquid temperature is controlled to prevent heating from changing cavitation intensity. After a defined exposure interval, the specimen is removed, cleaned, dried, and weighed again. This sequence is repeated over increasing, material-dependent exposure intervals until a complete erosion curve is obtained.
The raw measurement is mass loss. For engineering comparison, this mass loss is converted into volume loss using the material density. The volume loss is then divided by the exposed surface area to determine mean erosion depth. From the erosion-depth curve, the researcher can calculate characteristic erosion parameters such as maximum erosion rate, terminal erosion rate, and mean depth of erosion. Hielscher also notes that erosion can be reported as mass, volume, or penetration depth per time or per delivered ultrasonic energy, depending on the chosen protocol.

Mean erosion depths as function of adjusted coating quality parameters n. Powder annealing and thus reduced powder strength enables reaching high coating qualities. The inserts show the surface damage obtained after a cavitation testing time of 100min.
Graphs and study: ©Hauer et al., 2021.

One important lesson from the Hauer study is that early erosion rates can be misleading. Thermally and kinetically sprayed coatings often showed high initial material loss, followed by a lower, more stable erosion rate. For this reason, Hauer et al. used terminal erosion rate as a more representative indicator of long-term coating performance. In their 120-minute comparison, the terminal erosion rate was evaluated mainly from the second half of the test, above 60 minutes, to better capture the stabilized behavior.

The test results show why a controlled vibratory cavitation apparatus is valuable. Cast nickel aluminum bronze achieved a terminal erosion rate of about 0.40 µm/h. Optimized warm-sprayed bronze reached 0.57 µm/h, close to the cast reference. An optimized arc-sprayed coating on shipbuilding steel reached about 1.02 µm/h, while an optimized HVOF coating reached about 1.74 µm/h. Even when these coatings did not fully match cast propeller bronze, they dramatically outperformed shipbuilding steel; the study reports that arc-sprayed and HVOF-sprayed coatings achieved about 26 times and 16 times better cavitation resistance, respectively, than VL-A steel.

Use a Sonicator as Vibratory Apparatus for Your Cavitation Erosion Tests

The practical conclusion is that cavitation erosion testing with the UIP1000hdT sonicator as vibratory apparatus can do more than rank materials. It reveals how coating process, microstructure, oxide content, porosity, interface bonding, and post-treatment affect real erosion behavior. Hauer et al. concluded that HVOF and arc spraying can offer a strong performance-cost compromise for improving steel rudder surfaces, while cold and warm spraying are preferred when cavitation resistance close to bulk nickel aluminum bronze is required.

Za laboratorije i razvijače premaza, ključ za ponovljive rezultate je stroga kontrola parametara testa: amplituda sonotrode, frekvencija, udaljenost sonotrode od uzorka, temperatura tekućine, kemija tekućine, priprema uzoraka, intervali vaganja i izračun brzine erozije. Kada su ovi uvjeti definirani, Hielscher UIP1000hdT pruža praktičan i ponovljiv način pretvaranja ultrazvučne kavitacije u kvantitativne podatke o performansama premaza.

Uzorak radnog lista za ispitivanje kavitacijske erozije

 
Upute za testove kavitacijske erozije možete pronaći ovdje!

Postavljanje ASTM G32 testa kavitacijske erozije

Sonikatori UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT i UIP2000hdT prikladni su za ASTM G32 testiranje. Svaki od ovih uređaja možemo isporučiti s preciznim protokol mjerenja amplitude mekani amplituda na vrhu sonotrode. Preporučujemo korištenje bilo kojeg od ovih uređaja sa sonotrodom BS4d22 (promjer 22 mm) i stalkom ST2.

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

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – Kvaliteta Proizvedeno u Njemačkoj

Hielscher ultrasonicators su poznati po svojim najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućuju glatku integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijske objekte. Teški uvjeti i zahtjevna okruženja lako se nose s Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana tvrtka i stavlja poseban naglasak na ultrazvučne uređaje visokih performansi koji sadrže najsuvremeniju tehnologiju i jednostavnu su za korištenje. Naravno, Hielscher ultrasonicators sukladni su CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Literatura / Reference