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

Sonicator UIP1000hdT je vrlo prikladan za ovu vrstu testa jer pruža visokointenzivni, niskofrekventni ultrazvuk u rasponu koji se koristi za testiranje kavitacijske erozije. Postavka za testiranje erozije kavitacije koristeći 1000-vatni sonikator radi na 20 kHz i omogućuje precizno praćenje procesa, kontrolu amplitude, mjerenje temperature i automatsko protokoliranje testnih podataka. Ove funkcije su važne jer intenzitet kavitacije uvelike ovisi o amplitudi, temperaturi tekućine, tlaku tekućine, geometriji sonotrode i udaljenosti između sonotrode i uzorka.

(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

Za primjer morske brončane prevlake, ispitivanje je provedeno u neizravnom rasporedu ASTM G32. U ovoj konfiguraciji, uzorak nije pričvršćen na vibrirajući rog. Umjesto toga, ultrazvučna sonotroda stvara kavitaciju u destiliranoj vodi, a obloženi uzorak je fiksiran ispod sonotrode na definirani razmak. Hauer i sur. koristio je udaljenost od 0,5 mm između uzorka i sonotrode, frekvenciju od 20 kHz i amplitudu od vrha do vrha od 50 µm. Ispitna tekućina bila je destilirana voda, koja se održavala na približno sobnoj temperaturi, oko 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

Postupak praktičnog ispitivanja je jednostavan. Prvo se svaki uzorak čisti, suši i važe na preciznoj vagi. Zatim se postavlja u ispitnu ćeliju ispod sonotrode BS4d22 sonikatora UIP1000hdT s pažljivo postavljenim razmakom od 0,5 mm koji se ponavlja. Sonikator radi na definiranoj amplitudi i frekvenciji, dok se temperatura tekućine kontrolira kako bi se spriječilo da zagrijavanje promijeni intenzitet kavitacije. Nakon definiranog intervala izlaganja, uzorak se uklanja, čisti, suši i ponovno važe. Ovaj se slijed ponavlja kroz sve veće intervale izlaganja ovisnim o materijalu dok se ne dobije potpuna krivulja erozije.
Sirovo mjerenje je gubitak mase. Za inženjersku usporedbu, ovaj gubitak mase se pretvara u gubitak volumena pomoću gustoće materijala. Gubitak volumena se zatim dijeli s izloženom površinom kako bi se odredila srednja dubina erozije. 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.

Srednje dubine erozije kao funkcija podešenih parametara kvalitete premaza n. Žarenje praha i time smanjena čvrstoća praha omogućuje postizanje visoke kvalitete premaza. Umetci pokazuju oštećenje površine dobiveno nakon vremena ispitivanja kavitacije od 100 minuta.
Grafikoni i studija: ©Hauer et al., 2021.

Jedna važna lekcija iz Hauerove studije jest da rane stope erozije mogu dovesti u zabludu. Toplinski i kinetički prskani premazi često pokazuju veliki početni gubitak materijala, nakon čega slijedi niža, stabilnija stopa erozije. Iz tog razloga, Hauer et al. upotrijebio stopu terminalne erozije kao reprezentativniji pokazatelj dugotrajne učinkovitosti premaza. U njihovoj 120-minutnoj usporedbi, brzina terminalne erozije procijenjena je uglavnom od druge polovice testa, iznad 60 minuta, kako bi se bolje uhvatilo stabilizirano ponašanje.

Rezultati testova pokazuju zašto je kontrolirani vibracijski kavitirajući aparat vrijedan. Liveni brončani nikal-aluminij postigao je krajnju stopu erozije od oko 0,40 µm/sat. Optimizirani brončani sloj nanesen toplim raspršivanjem dosegao je 0,57 µm/sat, što je blizu livenog referentnog materijala. Optimizirani sloj nanesen raspršivanjem lukom na čeliku za brodogradnju dosegao je oko 1,02 µm/sat, dok je optimizirani HVOF sloj dosegao oko 1,74 µm/sat. Čak i kada ti slojevi nisu u potpunosti odgovarali livenom bronci propelera, dramatično su nadmašili čelik za brodogradnju; studija navodi da su slojevi naneseni raspršivanjem lukom i HVOF-om postigli oko 26 puta i 16 puta bolju otpornost na kavitiranje, respektivno, u usporedbi s čelikom VL-A.

Koristite sonikator kao vibracijski aparat za svoje testove erozije kavitaranjem

Praktičan zaključak je da ispitivanje erozije uzrokovane kavitarom pomoću sonikatora UIP1000hdT kao vibracijskog uređaja može učiniti više od samog rangiranja materijala. Ono otkriva kako proces premazivanja, mikrostruktura, sadržaj oksida, poroznost, povezivanje sučelja i naknadna obrada utječu na stvarno ponašanje materijala pri eroziji. Hauer i sur. zaključili su da HVOF i lučno prskanje mogu ponuditi snažan kompromis između performansi i cijene za poboljšanje površina čeličnih kormila, dok su hladno i toplo prskanje poželjni kada je potrebna otpornost na kavitaru bliska masivnom nikl-aluminij bronci.

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