Kavitációs erózióvizsgálat

Kavitációs erózió az intenzív ultrahangos kavitációnak kitett anyagfelületeken lép fel. A kavitációs erózióvizsgálat gyors módszer az anyagok vagy bevonatok intenzív igénybevétellel és egyéb eróziós tényezőkkel szembeni ellenállásának mérésére. Egyszerű mennyiségi mérést tesz lehetővé a minőségellenőrzéshez, és hasznos az anyagkutatás vagy a bevonatok összetételének kidolgozása során.

Miért érdemes kavitációs erózióvizsgálatot alkalmazni?

A folyamatos erózió vagy korrózió szükségessé teheti az alkatrészek rendszeres cseréjét vagy a felületi bevonatok megújítását. A mechanikai vagy kémiai hatások okozta felületi erózió lassú folyamat, amely az anyagfelületek fokozatos pusztulásához vezet. Ezért az anyag erózióállóságának, illetve a folyadékok és zagyok eróziós hatásának értékelése rendkívül időigényes folyamat lehet.
Az ultrahangos kavitációs erózióvizsgálat szabályozott, intenzív, ismétlődő igénybevételi ciklusoknak teszi ki az anyagfelületet. Ez rövid idő alatt jelentős felületi eróziót eredményez. Az erózióállóság gyorsan mérhető a gyártás során végzett rendszeres minőségellenőrzéshez, a beérkező anyagok értékeléséhez vagy a kutatás és fejlesztés során.
A szokásos alkalmazások közé tartoznak a kohászati vizsgálatok, a bevonatok összetételének vizsgálata, a bevonatfelhordás vizsgálata, valamint a folyadékokban lévő eróziógátló anyagok értékelése.

Miért okoz felületi eróziót a kavitáció?

Az ultrahangos készülékek, például az UP400St (400 watt, 24kHz) vagy az UIP1000hdT (1000 watt, 20kHz), ultrahangos rezgéseket csatolnak be folyadékokba, például vízbe. A folyadékban zajló rezgés gyors oda-vissza mozgása kavitációs buborékokat hoz létre, majd összeomlasztja őket. A buborékok összeomlásakor nagy helyi mechanikai igénybevétel lép fel a folyadékban és a hatásnak kitett anyagfelületeken. Az akár 1000km/h sebességű folyadéksugarak és az akár 1000atm helyi nyomások az anyagfelület gyors kifáradásához vezetnek. Ez eltávolíthatja az oxid- vagy passziváló rétegeket, a bevonatokat vagy a lerakódásokat. Lyukképződést okozhat szilárd anyagokon, például acélon, titánon, alumíniumon, műanyagon vagy üvegen. A kavitációs erózióvizsgálat ezért roncsolásos vizsgálati módszer.

Hogyan működik a kavitációs erózióvizsgálat?

Az anyagfelületek kavitációs eróziója fokozatos anyagveszteséget okoz. Az anyagveszteség egyszerűen mérhető úgy, hogy az anyagot precíziós mérlegen leméri egy meghatározott kavitációs eróziós igénybevétel előtt és után. A kavitációs erózióvizsgálat során jellemző tömegváltozás 1 és 30mg között van. A további szabványosításhoz a térfogatveszteség úgy számítható ki, hogy a tömegveszteséget elosztja az anyag sűrűségével. Az átlagos behatolási mélység (MDP) a térfogatveszteség és a próbatest felületének hányadosaként számítható ki. Másik lehetőségként megmérheti a kialakult lyukak mélységét vagy a kiszorított térfogatot. Mikroszkópos elemzéssel további minőségi információkat szerezhet az erózió mintázatáról.
Ha Hielscher ultrahangos készüléket használ a kavitációs erózióvizsgálathoz, előre beállíthatja azt a hőmérséklet- és nyomástartományt, amelyben dolgozni kíván. Beállíthatja az ultrahangos kezelés amplitúdóját. A készülék minden paramétert figyel, megjelenít és SD-kártyára naplóz. Nincs szükség gyártóspecifikus szoftver telepítésére. Igény szerint a szokásos webböngészőjéből is vezérelheti és felügyelheti az ultrahangos folyamatot, ha az ultrahangos készüléket a mellékelt Ethernet-kábellel a számítógépéhez csatlakoztatja.

Mi az ASTM G32 szabvány rezgőkészüléket alkalmazó kavitációs erózióvizsgálati módszere?

Az ASTM G32-16 szabvány a kavitációs erózió szabványosított vizsgálati módszerét írja le. Egyszerű, szabályozható és reprodukálható vizsgálatot határoz meg a különböző anyagok kavitációs erózióval szembeni ellenállásának számszerűsítésére és összehasonlítására. Az ATSM G32-16 előírásai hasznosak az Ön eredményeinek más publikációk eredményeivel való összehasonlításához. Ha a minőségellenőrzésben kavitációs erózióvizsgálatot szeretne bevezetni, kifejezetten javasoljuk, hogy a kavitációs erózióvizsgálati protokollt igazítsa saját követelményeihez. Szívesen segítünk egy egyedi kavitációs erózióvizsgálati protokoll kidolgozásában. Az ASTM-G32 szerinti kavitációs erózióvizsgálatról további információért kattintson ide!

Miért érdemes időkorlát helyett energiakorlátot alkalmazni?

Számos publikáció és erózióvizsgálati protokoll meghatározza a kavitációs igénybevétel időtartamát. A Hielscher ultrahangos készülékeken előre beállíthatja az ultrahangos kezelés időtartamát, és a rendszer ennek letelte után leáll. Ezután kiszámíthatja az eredményül kapott kavitációs erózió sebességét mm/hr vagy mm3/hr egységben. Az időkorlát csak akkor elfogadható, ha egyetlen paramétert sem változtat meg, például a folyadékszintet, az amplitúdót, a nyomást, a hőmérsékletet, a folyadék összetételét vagy a szonotróda és az anyagfelület közötti rést. Ha e paraméterek bármelyike megváltozik, az ultrahangos kezelés teljesítménye és a kavitáció intenzitása is megváltozik. Fontos, hogy a folyadékba ténylegesen bevitt nettó teljesítmény a vizsgálat időtartama alatt ne ingadozzon.
A Hielscher ultrahangos készülékeken energiakorlátot is beállíthat. Ebben az esetben az ultrahangos készülék leáll, miután bevitte a meghatározott ultrahangos energiát. A Hielscher készülék megjeleníti és rögzíti az olyan paramétereket, mint a tényleges nettó teljesítmény, az amplitúdó, a nyomás és a folyadék hőmérséklete. Az energiakorlát alkalmazása kompenzálja a teljesítmény ingadozásait vagy a paraméterek szándékos módosításait. Ezután megadhatja az eredményül kapott kavitációs erózió sebességét mm/kWhr, mm3/kWhr vagy mg/kWhr egységben.
Ha a kavitációs eróziós szakaszok között leméri a próbatestet, olyan görbét készíthet, amely az egyes szakaszok tömegveszteségét (az egyes energiaintervallumokban mért tömegveszteségi rátát) mutatja a kumulatív energia függvényében.
A pontosabb eredmények érdekében a készülék automatikus kalibrálást végezhet (30 másodperc). Ennek során minden amplitúdóbeállításnál megméri a teljesítményt levegőben, környezeti nyomáson. A Hielscher készülék ezeket a kalibrálási adatokat használja fel ahhoz, hogy valós időben rendkívül pontos nettó teljesítményértékeket adjon meg.

Folyadéknyomás az ultrahangos kezelés során

Számos szabványos kavitációs erózióvizsgálati protokoll környezeti nyomáson alkalmaz ultrahangos kavitációt. A folyadéknyomás az ultrahangos kezelés intenzitásának második legfontosabb tényezője. A környezeti nyomás 10%-os növelése körülbelül 10%-kal növeli az ultrahangos kezelés intenzitását. Az intenzívebb kavitáció csökkenti a kavitációs erózió adott mértékének eléréséhez szükséges időt. Egyetlen próbatest vizsgálata gyakran 15 és 120 perc közötti időt vehet igénybe. Ha sok próbatestet kell vizsgálnia, a nagyobb nyomáson végzett munka jelentősen csökkentheti az egyes vizsgálatok időtartamát. Az 5 barg (73psig) nyomáson végzett vizsgálatok vizsgálatonként körülbelül 80%-kal kevesebb időt igényelnek.
A Hielscher digitális nyomásérzékelővel ellátott, nyomásálló vizsgálócellákat szállít a kavitációs erózióvizsgálatokhoz. Nyomásálló cella használatával minden vizsgálat során szabályozhatja és fenntarthatja a nyomást. Az ultrahangos generátor folyamatosan figyeli a nyomásérzékelőt, és a tényleges nyomást egy Excel-kompatibilis CSV-fájlba naplózza a mellékelt SD-kártyán. A Hielscher nyomásszabályozókat szállít az üzemi nyomás beállításához és fenntartásához.
A Hielscher kavitációs erózióvizsgálathoz használt nyomásálló vizsgálócellái alapváltozatban legfeljebb 5barg (73psig) nyomásra méretezettek. Kérésre nagyobb, akár 300barg (4350psig) nyomású változatok is rendelkezésre állnak.

Ultrahangos frekvencia

A kavitációs erózióvizsgálat általában alacsony frekvenciájú, nagy intenzitású ultrahangot alkalmaz a 18–30kHz tartományban. Ebben a tartományban a frekvencia változtatásának csak nagyon korlátozott hatása van a kavitáció intenzitására. Minden Hielscher készülék állandó frekvencián működik.

Távolság a szonotródától

A vizsgálandó anyag a szonotródára vagy a szonotróda alá rögzíthető. Készíthet menetes anyagpróbatestet, és rögzítheti az ultrahangos szonotróda végére. Ebben az esetben a próbatest a meghatározott ultrahangos amplitúdóval rezeg, és kavitációt hoz létre a felületén. Ehhez precíziós megmunkálás szükséges, és nem minden anyag alkalmas erre a megoldásra.
Másik lehetőségként egy alkatrészt vagy próbatestet rögzíthet egy titánszonotróda alatt, annak közvetlen közelében. Ebben az esetben a titánszonotróda hozza létre a kavitációt, és az anyagfelületet kavitációs igénybevétel éri. Ez a kényelmesebb megoldás, mivel különböző méretű vagy alakú próbatesteket helyezhet a vizsgálócellába. Ha nagyobb szonotródát, például 50mm vagy 80mm átmérőjű szonotródát használ, egyszerre több alkatrészt is kitehet kavitációs eróziónak. Ez nagyon hasznos, ha naponta sok alkatrészt kell vizsgálnia, például minőségellenőrzés céljából.
Mindkét esetben nagyon fontos az ultrahangos szonotróda és a mellette lévő anyagfelület közötti távolság. Általában kisebb távolság esetén gyorsabb a kavitációs erózió. A jellemző távolságok 0,2 és 15mm között vannak. A meggyőző eredmények érdekében minden vizsgálatnál ugyanazt a távolságot kell alkalmaznia.

Folyadékhőmérséklet

A melegebb folyadék alacsonyabb ultrahangos kavitációs intenzitást eredményez. A mechanikai rezgési energia folyadékba történő bevitele a folyadék felmelegedését okozza. Ahhoz, hogy minden kavitációs erózióvizsgálat során állandó hőmérsékletet lehessen fenntartani, a folyadékot hűteni kell. A Hielscher köpenyes tartályokat és köpenyes, nyomásálló cellákat szállít. Másik lehetőségként hűtőcsőkígyót használhat egy főzőpohárban, vagy a főzőpoharat jeges fürdőbe helyezheti. A köpenyen vagy a hűtőcsőkígyón átáramló hűtőközeg elvonja a hőt a folyadéktól.
A Hielscher ultrahangos készülékeket, például az UP400St vagy az UIP1000hdT készüléket, a csomag részét képező PT100 hőmérséklet-érzékelővel szállítjuk. Az ultrahangos generátor folyamatosan figyeli a folyadék tényleges hőmérsékletét, és a hőmérsékletet egy Excel-kompatibilis CSV-fájlba naplózza a mellékelt SD-kártyán. Beállíthatja a generátort úgy, hogy szüneteltesse a kavitációs erózióvizsgálatot, ha a folyadék hőmérséklete túlságosan eltér a beállított értéktől, például elégtelen hűtőteljesítmény miatt. A generátor automatikusan folytathatja az ultrahangos kezelést, amikor a folyadék ismét eléri a meghatározott hőmérsékletet.

Kavitáló folyadék

A kavitációs erózióvizsgálathoz általában vizet, például desztillált vizet használnak. A különböző folyadékok eltérő kavitációs jellemzőket mutatnak. Ha a víz korrozív hatású az Ön anyagára, a korróziós tényező kiküszöbölése vagy csökkentése érdekében érdemes lehet más folyadékokat, például kis viszkozitású szilikonolajokat vagy szerves oldószereket vizsgálnia. Másik lehetőségként a folyadékot korrozívabbá teheti, például a pH megváltoztatásával, vagy koptatóbb hatásúvá teheti koptató részecskék hozzáadásával. A kavitációs erózióvizsgálatot folyadékok, például fúróiszapok eróziós és korróziós hatásának értékelésére, illetve korrózió- vagy eróziógátló anyagok hatékonyságának értékelésére is használhatja.

Megmunkálás

Alkatrész vagy próbatest gyártásakor a CNC-megmunkálás, a köszörülés vagy a polírozás károsítja az anyagfelület közelében lévő szemcseszerkezetet. Ez csökkenti az erózióállóságot.

Passziváló rétegek/oxidrétegek

Az erózió és a korrózió nagyon gyakran egyidejűleg lép fel. A víz, például a desztillált, ásványi anyagoktól mentesített vagy ionmentesített víz számos anyagra korrozív hatású lehet. Az ultrahangos kavitáció elősegíti a korróziót. A passziváló rétegek, például az eloxált alumíniumon, növelik az anyagfelület erózióval és korrózióval szembeni ellenállását.

Milyen korlátai vannak a kavitációs erózióvizsgálatnak?

Egyes elasztomerek esetében nagyon intenzív kavitációs igénybevételre lehet szükség ahhoz, hogy egyáltalán kimutatható legyen bármilyen kavitációs erózió. Ebben az esetben előfordulhat, hogy a nyomás alá helyezett cella nélkül végzett ultrahangos kezelés semmilyen mérhető hatást nem mutat.