Ispitivanje kavitacijske erozije

Kavitacijska erozija nastaje na površinama materijala koje su izložene intenzivnoj ultrazvučnoj kavitaciji. Ispitivanje kavitacijske erozije brza je metoda mjerenja otpornosti materijala ili premaza na eroziju uslijed intenzivnog naprezanja i drugih erozijskih čimbenika. Omogućuje jednostavno kvantitativno mjerenje za kontrolu kvalitete i korisno je tijekom istraživanja materijala ili formuliranja premaza.

Zašto primjenjivati ispitivanje kavitacijske erozije?

Kontinuirana erozija ili korozija mogu zahtijevati redovitu zamjenu dijelova ili obnovu površinskih premaza. Erozija površine materijala uslijed mehaničkih ili kemijskih utjecaja spor je proces koji dovodi do postupnog uništavanja površina materijala. Stoga procjena otpornosti materijala na eroziju ili erozijskog učinka tekućina i suspenzija može biti vrlo dugotrajan proces.
Ispitivanje erozije ultrazvučnom kavitacijom izlaže površinu materijala kontroliranim, intenzivnim, ponavljajućim ciklusima naprezanja. To dovodi do znatne erozije površine materijala u kratkom vremenu. Otpornost na eroziju možete brzo izmjeriti za redovitu kontrolu kvalitete u proizvodnji, za procjenu ulaznih materijala ili tijekom istraživanja i razvoja.
Standardne primjene uključuju metalurška ispitivanja, ispitivanje formulacija premaza, ispitivanje nanošenja premaza ili procjenu inhibitora erozije u tekućinama.

Zašto kavitacija uzrokuje eroziju površine?

Ultrazvučni uređaji, poput UP400St (400 vata, 24kHz) ili UIP1000hdT (1000 vata, 20kHz), prenose ultrazvučne vibracije u tekućine, poput vode. Brzo izmjenično gibanje pri vibriranju u tekućini stvara kavitacijske mjehuriće i uzrokuje njihov kolaps. Pri kolapsu mjehurića u tekućini i na izloženim površinama materijala nastaju velika lokalizirana mehanička naprezanja. Mlazovi tekućine brzine do 1000km/h i lokalni tlakovi do 1000atm dovode do brzog zamora površine materijala. Time se mogu ukloniti oksidni ili pasivacijski slojevi, premazi ili naslage. To može uzrokovati nastanak rupičastih oštećenja na čvrstim materijalima, poput čelika, titanija, aluminija, plastike ili stakla. Stoga je ispitivanje kavitacijske erozije razorna metoda ispitivanja.

Kako funkcionira ispitivanje kavitacijske erozije?

Kavitacijska erozija površina materijala uzrokuje postupan gubitak materijala. Gubitak materijala možete jednostavno izmjeriti vaganjem materijala na preciznoj vagi prije i nakon definiranog izlaganja kavitacijskoj eroziji. Tipična promjena mase pri ispitivanju kavitacijske erozije iznosi između 1 i 30mg. Za dodatnu standardizaciju možete izračunati gubitak volumena dijeljenjem gubitka mase s gustoćom materijala. Srednja dubina prodiranja (MDP) izračunava se dijeljenjem gubitka volumena s površinom ispitnog uzorka. Alternativno možete izmjeriti dubinu rupičastih oštećenja ili istisnuti volumen. Mikroskopskom analizom možete dobiti dodatne kvalitativne informacije o obrascu erozije.
Kada za ispitivanje kavitacijske erozije upotrebljavate ultrazvučni uređaj Hielscher, možete unaprijed postaviti raspon temperature i raspon tlaka pri kojima želite raditi. Možete prilagoditi amplitudu sonikacije. Svi se parametri nadziru, prikazuju i bilježe na SD karticu. Nije potrebna instalacija nikakvog vlasničkog softvera. Ako želite, ultrazvučnim procesom možete upravljati i nadzirati ga iz svojeg uobičajenog web-preglednika ako ultrazvučni uređaj povežete s računalom putem Ethernet kabela (uključen u isporuku).

Što je standardna metoda ASTM G32 za kavitacijsku eroziju primjenom vibracijskog uređaja?

Norma ASTM G32-16 opisuje standardiziranu metodu ispitivanja kavitacijske erozije. Njome se definira jednostavno, kontrolirano i ponovljivo ispitivanje za kvantificiranje i usporedbu otpornosti različitih materijala na kavitacijsku eroziju. Specifikacije ATSM G32-16 korisne su za usporedbu vaših rezultata s rezultatima drugih publikacija. Ako želite uvesti ispitivanje kavitacijske erozije u kontrolu kvalitete, preporučujemo da protokol ispitivanja kavitacijske erozije prilagodite svojim specifičnim zahtjevima. Rado ćemo vam pomoći u izradi prilagođenog protokola ispitivanja kavitacijske erozije. Za više informacija o ispitivanju kavitacijske erozije u skladu s normom ASTM-G32 kliknite ovdje!

Zašto upotrebljavati ograničenje energije umjesto vremenskog ograničenja?

Mnoge publikacije i protokoli ispitivanja erozije navode vrijeme izlaganja kavitaciji. Na ultrazvučnim uređajima Hielscher možete unaprijed postaviti vrijeme sonikacije, a sustav će se zaustaviti nakon isteka tog vremena. Zatim možete izračunati dobivenu brzinu kavitacijske erozije u mm/hr ili mm3/hr. Vremensko ograničenje prihvatljivo je samo ako ne mijenjate nijedan parametar, primjerice razinu tekućine, amplitudu, tlak, temperaturu, sastav tekućine ili razmak između sonotrode i površine materijala. Ako se bilo koji od tih parametara promijeni, promijenit će se i snaga sonikacije te intenzitet kavitacije. Važno je da stvarna neto snaga predana tekućini ne oscilira tijekom ispitivanja.
Na ultrazvučnim uređajima Hielscher možete postaviti ograničenje energije. U tom će se slučaju ultrazvučni uređaj zaustaviti nakon što preda zadanu ultrazvučnu energiju. Uređaj Hielscher prikazivat će i bilježiti parametre kao što su stvarna neto snaga, amplituda, tlak i temperatura tekućine. Primjenom ograničenja energije kompenzirat će se oscilacije snage ili namjerne promjene parametara. Zatim možete izraziti dobivenu brzinu kavitacijske erozije u mm/kWhr, mm3/kWhr ili mg/kWhr.
Ako važete ispitni uzorak između intervala kavitacijske erozije, možete izraditi krivulju koja prikazuje prirast gubitka mase (brzinu gubitka mase u svakom energetskom intervalu) u ovisnosti o kumulativnoj energiji.
Za preciznije rezultate uređaj može provesti automatsko umjeravanje (30 sekundi). Pritom se mjeri snaga pri svim postavkama amplitude u zraku pri okolnom tlaku. Uređaj Hielscher upotrebljava te podatke umjeravanja kako bi u stvarnom vremenu davao vrlo precizne vrijednosti neto snage.

Tlak tekućine tijekom sonikacije

Mnogi standardni protokoli za ispitivanje kavitacijske erozije primjenjuju ultrazvučnu kavitaciju pri okolnom tlaku. Tlak tekućine drugi je najvažniji čimbenik za intenzitet sonikacije. Povećanje okolnog tlaka za 10% povećat će intenzitet sonikacije za oko 10%. Intenzivnija kavitacija skraćuje vrijeme potrebno za postizanje određenog stupnja kavitacijske erozije. Ispitivanje pojedinačnog uzorka često može trajati od 15 do 120 minuta. Ako trebate ispitati mnogo uzoraka, rad pri višim tlakovima može znatno skratiti vrijeme svakog ispitivanja. Ispitivanja pri 5 barg (73psig) zahtijevaju približno 80% manje vremena za svako ispitivanje.
Hielscher isporučuje tlačno nepropusne ispitne ćelije s digitalnim senzorom tlaka za ispitivanje kavitacijske erozije. Uporabom tlačno nepropusne ćelije možete kontrolirati i održavati tlak tijekom svakog ispitivanja. Ultrazvučni generator stalno nadzire senzor tlaka i bilježi stvarni tlak u CSV datoteku kompatibilnu s programom Excel na SD kartici (uključena u isporuku). Hielscher isporučuje regulatore tlaka za postavljanje i održavanje radnog tlaka.
Tlačno nepropusne ispitne ćelije tvrtke Hielscher za ispitivanje kavitacijske erozije standardno su predviđene za tlakove do 5barg (73psig). Viši tlakovi do 300barg (4350psig) dostupni su na zahtjev.

Ultrazvučna frekvencija

Za ispitivanje kavitacijske erozije općenito se primjenjuje ultrazvuk niske frekvencije i visokog intenziteta u rasponu 18–30kHz. U tom rasponu promjena frekvencije ima vrlo ograničen učinak na intenzitet kavitacije. Svi uređaji Hielscher rade na konstantnoj frekvenciji.

Udaljenost od sonotrode

Materijal koji se ispituje može se pričvrstiti na sonotrodu ili ispod sonotrode. Možete izraditi uzorak materijala s navojem i pričvrstiti ga na kraj ultrazvučne sonotrode. U tom slučaju uzorak vibrira pri zadanoj ultrazvučnoj amplitudi i stvara kavitaciju na svojoj površini. To zahtijeva preciznu strojnu obradu i nisu svi materijali prikladni za tu mogućnost.
Alternativno, možete učvrstiti dio ili uzorak na maloj udaljenosti ispod titanijske sonotrode. U tom slučaju titanijska sonotroda stvara kavitaciju, a površina materijala izložena je kavitaciji. To je praktičnija mogućnost jer u ispitnu ćeliju možete postaviti uzorke različitih veličina ili oblika. Ako upotrebljavate veću sonotrodu, primjerice sonotrodu promjera 50mm ili 80mm, možete istodobno izložiti više dijelova kavitacijskoj eroziji. To je vrlo korisno kada trebate ispitati mnogo dijelova dnevno, npr. za kontrolu kvalitete.
U oba je slučaja vrlo važna udaljenost između ultrazvučne sonotrode i površine materijala uz nju. Općenito je kavitacijska erozija brža pri manjoj udaljenosti. Tipične udaljenosti kreću se od 0,2 do 15mm. Za pouzdane rezultate trebali biste primjenjivati istu udaljenost za sva ispitivanja.

Temperatura tekućine

Toplija tekućina dovodi do nižeg intenziteta ultrazvučne kavitacije. Unošenje energije mehaničkih vibracija u tekućinu uzrokovat će zagrijavanje tekućine. Kako bi se tijekom svakog ispitivanja kavitacijske erozije održavala konstantna temperatura, tekućinu je potrebno hladiti. Hielscher isporučuje posude s plaštem i tlačno nepropusne ćelije s plaštem. Alternativno, možete upotrijebiti rashladnu spiralu u laboratorijskoj čaši ili staviti laboratorijsku čašu u ledenu kupelj. Rashladno sredstvo koje protječe kroz plašt ili rashladnu spiralu odvodi toplinu iz tekućine.
Ultrazvučni uređaji Hielscher, poput UP400St ili UIP1000hdT, isporučuju se s temperaturnom sondom PT100 (uključena u isporuku). Ultrazvučni generator kontinuirano nadzire stvarnu temperaturu tekućine i bilježi temperaturu u CSV datoteku kompatibilnu s programom Excel na SD kartici (uključena u isporuku). Generator možete postaviti tako da privremeno zaustavi ispitivanje kavitacijske erozije ako temperatura tekućine previše odstupi od vaše zadane vrijednosti, npr. zbog nedovoljnog rashladnog kapaciteta. Generator može automatski nastaviti sonikaciju kada tekućina ponovno dosegne zadanu temperaturu.

Tekućina u kojoj nastaje kavitacija

Za ispitivanje kavitacijske erozije općenito se upotrebljava voda, primjerice destilirana voda. Različite tekućine imaju različita kavitacijska svojstva. Ako voda korozivno djeluje na vaš materijal, možete ispitati alternativne tekućine, poput silikonskih ulja niske viskoznosti ili organskih otapala, kako biste uklonili ili smanjili korozivni čimbenik. Također možete povećati korozivnost tekućine, primjerice promjenom pH, ili njezinu abrazivnost dodavanjem abrazivnih čestica. Ispitivanje kavitacijske erozije možete upotrijebiti za procjenu erozivnosti i korozivnosti tekućina, poput isplaka za bušenje, ili za procjenu učinkovitosti inhibitora korozije ili erozije.

Strojna obrada

Pri izradi dijela ili ispitnog uzorka CNC obrada, brušenje ili poliranje oštećuju zrnatu strukturu u blizini površine materijala. Time se smanjuje otpornost na eroziju.

Pasivacijski/oksidni slojevi

Erozija i korozija vrlo se često odvijaju istodobno. Voda, primjerice destilirana, demineralizirana ili deionizirana voda, može korozivno djelovati na mnoge materijale. Ultrazvučna kavitacija potiče koroziju. Pasivacijski slojevi, primjerice na anodiziranom aluminiju, povećat će otpornost površine materijala na eroziju i koroziju.

Koja su ograničenja ispitivanja kavitacijske erozije?

Neki elastomeri mogu zahtijevati izlaganje vrlo intenzivnoj kavitaciji kako bi uopće pokazali kavitacijsku eroziju. U tom slučaju sonikacija bez ćelije pod tlakom možda neće pokazati nikakav mjerljiv učinak.