Hajózási bronzbevonatok gyakorlati kavitációs eróziós vizsgálata

A kavitációs eróziós vizsgálat akkor a leghasznosabb, ha egy szabályozott laboratóriumi igénybevételt valós mérnöki problémával kapcsol össze. Gyakorlati példa erre a hajózási alkatrészekhez, például hajókormányokhoz és hajócsavarokhoz alkalmazott, kavitációnak ellenálló bronzbevonatok értékelése. Ezek az alkatrészek olyan zónákban működnek, ahol a helyi nyomásingadozások gőzbuborékokat hozhatnak létre, amelyek a felület közelében összeomlanak, ismétlődő, nagy intenzitású ütőterhelést okozva. Idővel ez gödrösödéshez, kifáradásos károsodáshoz, a bevonat tönkremeneteléhez és anyagveszteséghez vezet.

Bronzbevonatok kavitációs eróziós vizsgálata

Hauer és munkatársai tanulmányában hidegszórással, melegszórással, HVOF-szórással és ívszórással előállított bronzbevonatokat hasonlítottak össze öntött nikkel-alumínium bronzzal és hajóépítési acéllal. A központi kérdés egyszerű volt: melyik bevonatképzési eljárással állítható elő olyan bronzfelület, amely elég hosszú ideig ellenáll a kavitációs igénybevételnek ahhoz, hogy hajózási alkalmazásra alkalmas legyen? Ennek megválaszolásához a kutatók az ASTM G32-16 szabványon alapuló kavitációs eróziós vizsgálatot végeztek rezgőberendezéssel, vizsgálati rendszerként többek között egy Hielscher UIP1000hdT ultrahangos rezgőrendszert alkalmazva.

A vizsgálati körülmények pontos szabályozása és automatizált adatrögzítés

Az UIP1000hdT ultrahangos készülék jól alkalmazható ehhez a vizsgálattípushoz, mert nagy intenzitású, alacsony frekvenciájú ultrahangot szolgáltat a kavitációs eróziós vizsgálatokhoz használt tartományban. Az 1000 wattos ultrahangos készüléket alkalmazó kavitációs eróziós vizsgálati elrendezés 20 kHz frekvencián működik, és lehetővé teszi a folyamat pontos felügyeletét, az amplitúdó szabályozását, a hőmérséklet mérését és a vizsgálati adatok automatikus naplózását. Ezek a funkciók azért fontosak, mert a kavitáció intenzitása erősen függ az amplitúdótól, a folyadék hőmérsékletétől és nyomásától, a szonotróda geometriájától, valamint a szonotróda és a próbatest közötti távolságtól.

(a) Kavitációs eróziós vizsgálat az ASTM G32-16 szabvány szerint, UIP1000hd ultrahangos készülékkel (közvetett módszer). Minden vizsgálati paraméter névleges érték; a tűréseket a szabvány tartalmazza.
(b) Az erózió–idő görbe sematikus szakaszai és a vizsgálati eljárás jellemző paraméterei.
Ábrák és tanulmány: ©Hauer et al., 2021.

Bronzbevonatok ultrahangos kavitációs eróziós vizsgálata

A hajózási bronzbevonat példájában a vizsgálatot az ASTM G32 szerinti közvetett elrendezésben végezték. Ebben a konfigurációban a próbatest nincs a rezgőfejhez rögzítve. Ehelyett az ultrahangos szonotróda desztillált vízben kavitációt hoz létre, a bevonatos próbatestet pedig a szonotróda alatt, meghatározott résközzel rögzítik. Hauer és munkatársai a minta és a szonotróda között 0,5 mm távolságot, 20 kHz frekvenciát és 50 µm csúcstól csúcsig mért amplitúdót alkalmaztak. A vizsgálati folyadék desztillált víz volt, amelyet megközelítőleg szobahőmérsékleten, körülbelül 25 °C-on tartottak.

A próbatest előkészítése kritikus lépés. A kavitációs igénybevétel előtt a bevonatos felületeket fokozatosan csiszolták és polírozták, egészen a 4 µm alatti szemcseméretű finom gyémánt csiszolóanyag használatáig. Ez csökkenti a lazán tapadó részecskék vagy felületi egyenetlenségek hatását, amelyek egyébként azonnal leválhatnának, és torzíthatnák az eróziós görbét. A cél nem a bevonat szép megjelenése, hanem reprodukálható kiindulási állapot létrehozása, hogy a mért tömegveszteség a kavitációval szembeni ellenállást tükrözze, ne pedig a nem megfelelő felület-előkészítést.

Az ultrahangos kavitációs eróziós vizsgálat menete és eredményei

A gyakorlati vizsgálati eljárás egyszerű. Először minden próbatestet megtisztítanak, megszárítanak és precíziós mérlegen megmérnek. Ezután az UIP1000hdT ultrahangos készülék BS4d22 szonotródája alatt rögzítik a vizsgálati cellában, gondosan és megismételhető módon beállítva a 0,5 mm résközt. Az ultrahangos készüléket a meghatározott amplitúdóval és frekvenciával működtetik, miközben a folyadék hőmérsékletét szabályozzák, hogy a felmelegedés ne változtassa meg a kavitáció intenzitását. Egy meghatározott igénybevételi időszak után a próbatestet kiveszik, megtisztítják, megszárítják és ismét megmérik. Ezt a lépéssort növekvő, anyagfüggő igénybevételi időszakokkal ismétlik, amíg teljes eróziós görbét nem kapnak.
A közvetlenül mért mennyiség a tömegveszteség. A mérnöki összehasonlításhoz ezt a tömegveszteséget az anyag sűrűsége alapján térfogatveszteséggé számítják át. A térfogatveszteséget ezután elosztják az igénybevételnek kitett felület területével, így meghatározzák az átlagos eróziós mélységet. Az eróziós mélység görbéjéből a kutató kiszámíthatja a jellemző eróziós paramétereket, például a maximális eróziós sebességet, a végső eróziós sebességet és az átlagos eróziós mélységet. A Hielscher arra is rámutat, hogy a választott protokolltól függően az erózió megadható időegységre vagy bevitt ultrahangos energiára vetített tömegként, térfogatként vagy behatolási mélységként.

Átlagos eróziós mélységek a beállított n bevonatminőségi paraméterek függvényében. A por lágyító hőkezelése és ezáltal a por szilárdságának csökkentése lehetővé teszi a kiváló bevonatminőség elérését. A betétábrák a 100min kavitációs vizsgálati idő után kialakult felületi károsodást mutatják.
Grafikonok és tanulmány: ©Hauer et al., 2021.

A Hauer-tanulmány egyik fontos tanulsága, hogy a kezdeti eróziós sebességek félrevezetők lehetnek. A termikus és kinetikus szórással előállított bevonatok gyakran nagy kezdeti anyagveszteséget mutattak, amelyet alacsonyabb, stabilabb eróziós sebesség követett. Ezért Hauer és munkatársai a végső eróziós sebességet használták a bevonat hosszú távú teljesítményének reprezentatívabb mutatójaként. A 120 perces összehasonlításban a végső eróziós sebességet főként a vizsgálat második feléből, a 60 perc utáni szakaszból értékelték, hogy jobban jellemezzék a stabilizálódott viselkedést.

A vizsgálati eredmények megmutatják, miért értékes egy szabályozott, rezgésen alapuló kavitációs berendezés. Az öntött nikkel-alumínium bronz körülbelül 0,40 µm/h végső eróziós sebességet ért el. Az optimalizált, melegszórással előállított bronz 0,57 µm/h értéket ért el, közel az öntött referenciaanyaghoz. Egy hajóépítési acélon kialakított, optimalizált ívszórt bevonat körülbelül 1,02 µm/h, míg egy optimalizált HVOF-bevonat körülbelül 1,74 µm/h értéket ért el. Még amikor ezek a bevonatok nem is érték el teljesen az öntött hajócsavarbronz teljesítményét, akkor is jelentősen felülmúlták a hajóépítési acélt; a tanulmány szerint az ívszórással és HVOF-szórással előállított bevonatok rendre körülbelül 26-szor és 16-szor jobb kavitációval szembeni ellenállást értek el, mint a VL-A acél.

Használjon ultrahangos készüléket rezgőberendezésként kavitációs eróziós vizsgálataihoz

A gyakorlati következtetés az, hogy az UIP1000hdT ultrahangos készüléket rezgőberendezésként alkalmazó kavitációs eróziós vizsgálat többre képes az anyagok rangsorolásánál. Feltárja, hogy a bevonatképzési eljárás, a mikroszerkezet, az oxidtartalom, a porozitás, a határfelületi kötés és az utókezelés hogyan befolyásolja a tényleges eróziós viselkedést. Hauer és munkatársai arra a következtetésre jutottak, hogy a HVOF-szórás és az ívszórás kedvező kompromisszumot kínálhat a teljesítmény és a költség között az acél hajókormányok felületének javításához, míg a hidegszórás és a melegszórás előnyösebb, ha a tömör nikkel-alumínium bronzéhoz közeli kavitációval szembeni ellenállás szükséges.

A laboratóriumok és bevonatfejlesztők számára a reprodukálható eredmények kulcsa a vizsgálati paraméterek szigorú szabályozása: a szonotróda amplitúdója, a frekvencia, a szonotróda és a minta közötti távolság, a folyadék hőmérséklete, a folyadék kémiai összetétele, a próbatest előkészítése, a mérlegelési időközök és az eróziós sebesség számítása. E feltételek meghatározásával a Hielscher UIP1000hdT gyakorlati és megismételhető módot kínál arra, hogy az ultrahangos kavitációból a bevonat teljesítményét jellemző mennyiségi adatokat nyerjenek.

Mintamunkalap kavitációs eróziós vizsgálatokhoz

 
Itt talál útmutatót a kavitációs eróziós vizsgálatokhoz!

ASTM G32 szerinti kavitációs eróziós vizsgálati elrendezés

Az UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT és UIP2000hdT ultrahangos készülékek alkalmasak az ASTM G32 szerinti vizsgálatokra. Mindegyik készülékhez biztosíthatunk egy pontos amplitúdómérési jegyzőkönyvet a szonotróda csúcsán fellépő mechanikai amplitúdóról. E készülékek bármelyikét BS4d22 szonotródával (22mm átmérő) és ST2 állvánnyal javasoljuk használni.

ASTM G32 -16 szerinti 15,9mm-es szonotróda cserélhető csúccsal

Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban készült minőség

A Hielscher ultrahangos készülékek a legmagasabb minőségi és tervezési követelményszintjükről ismertek. Robusztusságuk és egyszerű kezelhetőségük lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását az ipari létesítményekbe. A Hielscher ultrahangos készülékek könnyen megbirkóznak a zord körülményekkel és a nagy igénybevételt jelentő környezetekkel.

A Hielscher Ultrasonics ISO-tanúsítvánnyal rendelkező vállalat, amely különös hangsúlyt fektet a legkorszerűbb technológiát és felhasználóbarát működést kínáló, nagy teljesítményű ultrahangos készülékekre. A Hielscher ultrahangos készülékek természetesen megfelelnek a CE követelményeinek, valamint teljesítik az UL, a CSA és a RoHs követelményeit.

Szakirodalom / Hivatkozások

• 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.