Tengeri bronz bevonatok kavitációs eróziós vizsgálata gyakorlati körülmények között

A kavitációs eróziós vizsgálat akkor a leghasznosabb, ha összekapcsolja a kontrollált laboratóriumi körülményeket egy valós műszaki problémával. Gyakorlati példa erre a kavitációálló bronzbevonatok értékelése olyan hajózási alkatrészek esetében, mint a hajó kormánylapátjai és hajócsavarjai. Ezek az alkatrészek olyan területeken működnek, ahol a helyi nyomásingadozások gőzbuborékokat hozhatnak létre, amelyek a felület közelében összeomlanak, és ezzel ismétlődő, nagy intenzitású ütési terheléseket okoznak. Idővel ez gödrösödést, fáradási károsodást, a bevonat meghibásodását és anyagveszteséget eredményez.

Bronzbevonatok kavitációs eróziós vizsgálata

Hauer és munkatársai tanulmányában a hidegporlasztással, melegporlasztással, HVOF-porlasztással és ívporlasztással előállított bronzbevonatokat hasonlították össze öntött nikkel-alumínium-bronzzal és hajóépítő acéllal. A központi kérdés egyszerű volt: melyik bevonatképzési eljárás képes olyan bronzfelületet létrehozni, amely a tengeri üzemeltetés során elég hosszú ideig ellenáll a kavitációs hatásoknak? A kérdés megválaszolásához a kutatók az ASTM G32-16 szabványon alapuló kavitációs eróziós vizsgálatot alkalmaztak egy rezgőberendezéssel, amelynek részeként egy Hielscher UIP1000hdT ultrahangos rezgőrendszert használtak vizsgálati rendszerként.

A vizsgálati feltételek pontos szabályozása és az automatizált adatrögzítés

Az UIP1000hdT ultrahangos készülék kiválóan alkalmas erre a típusú vizsgálatra, mivel nagy intenzitású, alacsony frekvenciájú ultrahangot bocsát ki a kavitációs eróziós vizsgálatokhoz használt tartományban. A 1000 wattos ultrahangos készüléket használó kavitációs eróziós vizsgálati berendezés 20 kHz-en működik, és lehetővé teszi a folyamat pontos figyelemmel kísérését, az amplitúdó szabályozását, a hőmérséklet mérését, valamint a vizsgálati adatok automatikus protokollálását. Ezek a funkciók azért fontosak, mert a kavitációs intenzitás nagymértékben függ az amplitúdótól, a folyadék hőmérsékletétől, a folyadék nyomásától, a szonotróda geometriájától, valamint a szonotróda és a vizsgálati minta közötti távolságtól.

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

Bronzbevonatok ultrahangos kavitációs eróziós vizsgálata

A tengeri bronzbevonat példájánál a vizsgálatot az ASTM G32 szabvány szerinti közvetett elrendezésben végezték. Ebben a konfigurációban a vizsgálati mintát nem rögzítik a rezgő szarvhoz. Ehelyett az ultrahangos szonotróda desztillált vízben kavitációt hoz létre, és a bevonattal ellátott mintát a szonotróda alatt, meghatározott távolságra rögzítik. Hauer és munkatársai 0,5 mm-es távolságot alkalmaztak a mintadarab és a szonotróda között, 20 kHz-es frekvenciát és 50 µm-es csúcs-csúcs amplitúdót. A vizsgálati folyadék desztillált víz volt, amelyet körülbelül szobahőmérsékleten, 25 °C körül tartottak.

A minták előkészítése kritikus lépés. A kavitációs hatásnak való kitettség előtt a bevonatos felületeket fokozatosan csiszolták és polírozták egy 4 µm alatti finomságú gyémántcsiszolóanyaggal. Ez csökkenti a lazán tapadó részecskék vagy a felületi egyenetlenségek hatását, amelyek egyébként azonnal leválhatnának, és eltorzíthatnák az eróziós görbét. A cél nem az, hogy a bevonat jól nézzen ki, hanem hogy reprodukálható kiindulási állapotot teremtsünk, így a mért tömegveszteség a kavitációs ellenállást tükrözze, és ne a nem megfelelő felületelőkészítést.

Az ultrahangos kavitációs eróziós vizsgálat eljárása és eredményei

A gyakorlati vizsgálati eljárás egyszerű. Először minden mintát megtisztítanak, megszárítanak, majd precíziós mérlegen lemérik. Ezután a mintát az UIP1000hdT ultrahangos készülék BS4d22 szonotródja alá helyezik a vizsgálati cellába, gondosan és ismételhetően beállítva a 0,5 mm-es rést. Az ultrahangos készüléket a meghatározott amplitúdón és frekvencián működtetik, miközben a folyadék hőmérsékletét szabályozzák, hogy a felmelegedés ne befolyásolja a kavitációs intenzitást. Egy meghatározott expozíciós időtartam letelte után a mintát eltávolítják, megtisztítják, megszárítják, majd újra lemérik. Ezt a folyamatot az anyagtól függő, egyre hosszabb expozíciós időtartamokkal ismételik, amíg a teljes eróziós görbe meg nem jelenik.
A nyers mérési érték a tömegveszteség. Mérnöki összehasonlítás céljából ezt a tömegveszteséget az anyag sűrűségének segítségével térfogatveszteséggé számítják át. A térfogatveszteséget ezután elosztják a kitett felület területével, hogy meghatározzák az átlagos eróziós mélységet. Az eróziós mélység görbéből a kutató kiszámíthatja a jellemző eróziós paramétereket, mint például a maximális eróziós sebességet, a végső eróziós sebességet és az átlagos eróziós mélységet. Hielscher azt is megjegyzi, hogy az eróziót – a választott protokolltól függően – tömegként, térfogatként vagy behatolási mélységként lehet kifejezni időegységre vagy leadott ultrahangos energiára vetítve.

Az átlagos eróziós mélységek a kiigazított bevonatminőségi paraméterek függvényében. A por hevítése, és ezáltal a por szilárdságának csökkenése lehetővé teszi a kiváló bevonatminőség elérését. A betétek a 100 perces kavitációs vizsgálat után kialakult felületi károsodásokat mutatják.
Ábrák és tanulmány: ©Hauer et al., 2021.

A Hauer-tanulmány egyik fontos tanulsága, hogy a korai eróziós sebességek félrevezetőek lehetnek. A hő- és kinetikus porlasztással felvitt bevonatoknál gyakran magas kezdeti anyagveszteség volt megfigyelhető, amelyet alacsonyabb, stabilabb eróziós sebesség követett. Emiatt Hauer és munkatársai a végső eróziós sebességet használták a bevonat hosszú távú teljesítményének reprezentatívabb mutatójaként. 120 perces összehasonlításuk során a végső eróziós sebességet főként a vizsgálat második feléből, 60 perc felett értékelték, hogy jobban megragadják a stabilizálódott viselkedést.

A vizsgálati eredmények rávilágítanak arra, miért értékes egy szabályozott rezgéses kavitációs berendezés. Az öntött nikkel-alumínium-bronz végső eróziós sebessége körülbelül 0,40 µm/h volt. Az optimalizált melegporlasztással felvitt bronz 0,57 µm/h-t ért el, ami közel áll az öntött referenciaértékhez. A hajóépítő acélra felvitt, optimalizált ívporlasztásos bevonat körülbelül 1,02 µm/h értéket ért el, míg az optimalizált HVOF-bevonat körülbelül 1,74 µm/h-t. Még ha ezek a bevonatok sem értek fel teljesen az öntött propellerbronz szintjéhez, a hajóépítő acélhoz képest drámai mértékben felülmúlták azt; a tanulmány szerint az ívporlasztással és HVOF-porlasztással felvitt bevonatok körülbelül 26-szor, illetve 16-szor jobb kavitációs ellenállást értek el, mint a VL-A acél.

Használjon ultrahangos készüléket rezgőberendezésként a kavitációs eróziós vizsgálataihoz

A gyakorlati következtetés az, hogy az UIP1000hdT ultrahangos készüléket rezgőberendezésként alkalmazó kavitációs eróziós vizsgálat nem csupán az anyagok rangsorolására alkalmas. Rávilágít arra, hogy a bevonatképzési folyamat, a mikroszerkezet, az oxidtartalom, a porozitás, a határfelületi kötés és az utókezelés hogyan befolyásolják a tényleges eróziós viselkedést. Hauer és munkatársai arra a következtetésre jutottak, hogy a HVOF- és az ívporlasztás kiváló teljesítmény-költség arányt kínál az acél kormánylapát-felületek javításához, míg a hideg- és melegporlasztás akkor előnyösebb, ha a tömör nikkel-alumínium-bronzhoz közeli kavitációs ellenállásra van szükség.

A laboratóriumok és a bevonatfejlesztők számára a reprodukálható eredmények kulcsa a vizsgálati paraméterek szigorú ellenőrzése: a szonotróda amplitúdója, frekvenciája, a szonotróda és a minta közötti távolság, a folyadék hőmérséklete, a folyadék összetétele, a minta előkészítése, a mérési időközök, valamint az eróziós sebesség kiszámítása. Ezen feltételek meghatározása mellett a Hielscher UIP1000hdT praktikus és megismételhető módszert kínál az ultrahangos kavitáció kvantitatív bevonat-teljesítményadatokká történő átalakítására.

Minta munkalap kavitációs eróziós vizsgálathoz

 
A kavitációs eróziós vizsgálatokra vonatkozó útmutatót itt találja!

ASTM G32 kavitációs eróziós vizsgálati berendezés

Az UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT és UIP2000hdT ultrahangos készülékek alkalmasak az ASTM G32 szabvány szerinti vizsgálatok elvégzésére. Ezen készülékek mindegyikét pontos amplitúdómérési protokoll a szonotróda hegyénél mért mechanikai amplitúdó. Javasoljuk, hogy ezeket az eszközöket a BS4d22 típusú szonotróda (22 mm átmérőjű) és az ST2 állvány használatával alkalmazzák.

ASTM G32 -16 15,9 mm-es sonotrode cserélhető heggyel

Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban gyártott minőség

A Hielscher ultrahangos készülékek jól ismertek a legmagasabb minőségi és tervezési szabványokról. A robusztusság és a könnyű kezelhetőség lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását ipari létesítményekbe. A durva körülmények és az igényes környezetek könnyen kezelhetők Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics egy ISO tanúsítvánnyal rendelkező cég, és különös hangsúlyt fektet a nagy teljesítményű ultrasonicatorokra, amelyek a legmodernebb technológiát és felhasználóbarátságot mutatják. Természetesen a Hielscher ultrasonicators CE-kompatibilis és megfelel az UL, CSA és RoHs követelményeinek.

Irodalom / Hivatkozások