Ծովային կիրառության բրոնզե ծածկույթների կավիտացիոն էրոզիայի գործնական փորձարկում

Կավիտացիոն էրոզիայի փորձարկումն առավել օգտակար է, երբ վերահսկվող լաբորատոր ազդեցությունը կապում է իրական ինժեներական խնդրի հետ։ Գործնական օրինակ է նավերի ղեկերի և պտուտակների նման ծովային բաղադրիչների համար նախատեսված՝ կավիտացիայի նկատմամբ կայուն բրոնզե ծածկույթների գնահատումը։ Այս մասերն աշխատում են այնպիսի գոտիներում, որտեղ ճնշման տեղային տատանումները կարող են առաջացնել գոլորշու պղպջակներ, որոնք փլուզվում են մակերևույթի մոտ՝ ստեղծելով բարձր ինտենսիվության կրկնվող հարվածային բեռնվածքներ։ Ժամանակի ընթացքում դա առաջացնում է փոսիկներ, հոգնածային վնասվածքներ, ծածկույթի քայքայում և նյութի կորուստ։

Բրոնզե ծածկույթների կավիտացիոն էրոզիայի փորձարկում

Hauer-ի և համահեղինակների ուսումնասիրությունում սառը փոշեցրմամբ, տաք փոշեցրմամբ, HVOF փոշեցրմամբ և աղեղային փոշեցրմամբ ստացված բրոնզե ծածկույթները համեմատվել են ձուլված նիկելալյումինային բրոնզի և նավաշինական պողպատի հետ։ Հիմնական հարցը պարզ էր. ծածկույթի ստացման ո՞ր գործընթացը կարող է ապահովել բրոնզե մակերևույթ, որը կդիմանա կավիտացիոն ազդեցությանը ծովային շահագործման համար բավականաչափ երկար ժամանակ։ Դրան պատասխանելու համար հետազոտողներն օգտագործել են ASTM G32-16 ստանդարտի վրա հիմնված կավիտացիոն էրոզիայի փորձարկում՝ թրթռումային սարքավորմամբ, այդ թվում՝ որպես փորձարկման համակարգ օգտագործելով Hielscher UIP1000hdT ուլտրաձայնային թրթռումային համակարգը։

Փորձարկման պայմանների ճշգրիտ վերահսկում և տվյալների ավտոմատ գրանցում

UIP1000hdT ուլտրաձայնային սարքը լավ է համապատասխանում այս տեսակի փորձարկմանը, քանի որ ապահովում է բարձր ինտենսիվության, ցածր հաճախականության ուլտրաձայն՝ կավիտացիոն էրոզիայի փորձարկման համար կիրառվող տիրույթում։ 1000 վատտ հզորությամբ ուլտրաձայնային սարքով կավիտացիոն էրոզիայի փորձարկման կայանքն աշխատում է 20 kHz հաճախականությամբ և հնարավորություն է տալիս ճշգրիտ վերահսկել գործընթացը, կարգավորել ամպլիտուդը, չափել ջերմաստիճանը և ավտոմատ գրանցել փորձարկման տվյալները։ Այս գործառույթները կարևոր են, քանի որ կավիտացիայի ինտենսիվությունը մեծապես կախված է ամպլիտուդից, հեղուկի ջերմաստիճանից, հեղուկի ճնշումից, սոնոտրոդի երկրաչափությունից և սոնոտրոդի ու փորձանմուշի միջև հեռավորությունից։

(a) Կավիտացիոն էրոզիայի փորձարկում՝ ըստ ASTM G32-16 ստանդարտի, UIP1000hd ուլտրաձայնային սարքով (անուղղակի մեթոդ)։ Փորձարկման բոլոր պարամետրերը անվանական արժեքներ են. թույլատրելի շեղումները նշված են ստանդարտում։
(b) Էրոզիա–ժամանակ կորի փուլերի սխեմատիկ պատկերը և փորձարկման ընթացակարգի բնութագրական պարամետրերը։
Գրաֆիկական նյութեր և ուսումնասիրություն՝ ©Hauer et al., 2021.

Բրոնզե ծածկույթների ուլտրաձայնային կավիտացիոն էրոզիայի փորձարկում

Ծովային կիրառության բրոնզե ծածկույթի օրինակում փորձարկումն իրականացվել է ASTM G32 ստանդարտի անուղղակի սխեմայով։ Այս կառուցվածքում փորձանմուշը չի ամրացվում թրթռացող եղջյուրին։ Փոխարենը՝ ուլտրաձայնային սոնոտրոդը կավիտացիա է առաջացնում թորած ջրում, իսկ ծածկույթով փորձանմուշն ամրացվում է սոնոտրոդի տակ՝ սահմանված բացակով։ Hauer-ը և համահեղինակներն օգտագործել են նմուշի և սոնոտրոդի միջև 0,5 mm հեռավորություն, 20 kHz հաճախականություն և գագաթից գագաթ 50 µm ամպլիտուդ։ Փորձարկման հեղուկը թորած ջուր էր, որը պահվում էր մոտավորապես սենյակային ջերմաստիճանում՝ շուրջ 25 °C։

Փորձանմուշի նախապատրաստումը վճռորոշ քայլ է։ Կավիտացիոն ազդեցությունից առաջ ծածկույթով մակերևույթները փուլ առ փուլ հղկվել և փայլեցվել են՝ վերջում կիրառելով 4 µm-ից փոքր հատիկներով նուրբ ադամանդային հղկանյութ։ Սա նվազեցնում է թույլ կպած մասնիկների կամ մակերևութային անհարթությունների ազդեցությունը, որոնք հակառակ դեպքում կարող էին անմիջապես պոկվել և աղավաղել էրոզիայի կորը։ Նպատակը ծածկույթին գեղեցիկ տեսք տալը չէ, այլ վերարտադրելի սկզբնական վիճակ ստեղծելը, որպեսզի չափված զանգվածի կորուստն արտացոլի կավիտացիայի նկատմամբ կայունությունը, այլ ոչ թե մակերևույթի վատ նախապատրաստումը։

Ուլտրաձայնային կավիտացիոն էրոզիայի փորձարկման ընթացակարգը և դրա արդյունքները

Փորձարկման գործնական ընթացակարգը պարզ է։ Նախ յուրաքանչյուր փորձանմուշ մաքրվում է, չորացվում և կշռվում ճշգրիտ կշեռքով։ Այնուհետև այն տեղադրվում է փորձարկման բջջում՝ UIP1000hdT ուլտրաձայնային սարքի BS4d22 սոնոտրոդի տակ՝ զգուշորեն և վերարտադրելի կերպով սահմանելով 0,5 mm բացակ։ Ուլտրաձայնային սարքն աշխատեցվում է սահմանված ամպլիտուդով և հաճախականությամբ, իսկ հեղուկի ջերմաստիճանը վերահսկվում է, որպեսզի տաքացումը չփոխի կավիտացիայի ինտենսիվությունը։ Ազդեցության սահմանված ժամանակամիջոցից հետո փորձանմուշը հանվում է, մաքրվում, չորացվում և կրկին կշռվում։ Այս հաջորդականությունը կրկնվում է նյութից կախված, աստիճանաբար երկարացող ազդեցության ժամանակամիջոցներով, մինչև ստացվի էրոզիայի ամբողջական կորը։
Սկզբնական չափվող մեծությունը զանգվածի կորուստն է։ Ինժեներական համեմատության համար զանգվածի այս կորուստը փոխարկվում է ծավալի կորստի՝ օգտագործելով նյութի խտությունը։ Այնուհետև ծավալի կորուստը բաժանվում է ազդեցության ենթարկված մակերևույթի մակերեսի վրա՝ էրոզիայի միջին խորությունը որոշելու համար։ Էրոզիայի խորության կորից հետազոտողը կարող է հաշվարկել էրոզիայի բնութագրական պարամետրերը, ինչպիսիք են էրոզիայի առավելագույն արագությունը, էրոզիայի վերջնական արագությունը և էրոզիայի միջին խորությունը։ Hielscher ընկերությունը նաև նշում է, որ, կախված ընտրված փորձակարգից, էրոզիան կարող է ներկայացվել որպես զանգվածի կամ ծավալի կորուստ կամ ներթափանցման խորություն՝ ժամանակի միավորի կամ հաղորդված ուլտրաձայնային էներգիայի միավորի հաշվով։

Էրոզիայի միջին խորությունները՝ որպես ծածկույթի որակի ճշգրտված n պարամետրերի ֆունկցիա։ Փոշու ջերմաթրծումը և դրա հետևանքով փոշու ամրության նվազումը հնարավորություն են տալիս ստանալ բարձրորակ ծածկույթներ։ Ներդիր պատկերները ցույց են տալիս մակերևույթի վնասվածքները՝ 100min տևողությամբ կավիտացիոն փորձարկումից հետո։
Գրաֆիկները և ուսումնասիրությունը՝ ©Hauer et al., 2021.

Հաուերի ուսումնասիրությունից քաղված կարևոր դասերից մեկն այն է, որ էրոզիայի սկզբնական արագությունները կարող են մոլորեցնող լինել։ Ջերմային և կինետիկ փոշեցրմամբ ստացված ծածկույթները հաճախ սկզբում ցուցաբերում էին նյութի մեծ կորուստ, որին հաջորդում էր էրոզիայի ավելի ցածր և ավելի կայուն արագություն։ Այդ պատճառով Հաուերը և համահեղինակներն օգտագործել են էրոզիայի վերջնական արագությունը՝ որպես ծածկույթի երկարաժամկետ շահագործման հատկություններն ավելի ներկայացուցչական կերպով բնութագրող ցուցանիշ։ Իրենց 120 րոպեանոց համեմատության ընթացքում էրոզիայի վերջնական արագությունը գնահատվել է հիմնականում փորձարկման երկրորդ կեսի տվյալներով՝ 60 րոպեից հետո, որպեսզի ավելի լավ արտացոլվի կայունացած վարքը։

Փորձարկման արդյունքները ցույց են տալիս, թե ինչու է արժեքավոր վերահսկվող տատանողական կավիտացիոն սարքը։ Ձուլածո նիկելաալյումինային բրոնզի էրոզիայի վերջնական արագությունը կազմել է մոտ 0,40 µm/h։ Օպտիմալացված տաք փոշեցրմամբ ստացված բրոնզի դեպքում այն հասել է 0,57 µm/h՝ մոտ լինելով ձուլածո համեմատական նմուշի ցուցանիշին։ Նավաշինական պողպատի վրա օպտիմալացված աղեղային փոշեցրմամբ ստացված ծածկույթի դեպքում այն հասել է մոտ 1,02 µm/h, իսկ օպտիմալացված HVOF ծածկույթի դեպքում՝ մոտ 1,74 µm/h։ Նույնիսկ երբ այս ծածկույթներն ամբողջությամբ չէին հասնում ձուլածո պտուտակային բրոնզի ցուցանիշներին, դրանք զգալիորեն գերազանցում էին նավաշինական պողպատին․ ուսումնասիրությունը հայտնում է, որ աղեղային և HVOF փոշեցրմամբ ստացված ծածկույթների կավիտացիոն դիմադրությունը համապատասխանաբար մոտ 26 անգամ և 16 անգամ ավելի բարձր էր, քան VL-A պողպատինը։

Օգտագործեք ուլտրաձայնային սարքը որպես տատանողական ապարատ՝ կավիտացիոն էրոզիայի ձեր փորձարկումների համար

Գործնական եզրակացությունն այն է, որ UIP1000hdT ուլտրաձայնային սարքը որպես տատանողական ապարատ օգտագործելով՝ կավիտացիոն էրոզիայի փորձարկումը կարող է ավելին անել, քան պարզապես նյութերը դասակարգելը։ Այն բացահայտում է, թե ինչպես են ծածկույթի ստացման գործընթացը, միկրոկառուցվածքը, օքսիդների պարունակությունը, ծակոտկենությունը, միջերեսային կապակցումը և հետմշակումն ազդում էրոզիայի իրական վարքի վրա։ Հաուերը և համահեղինակները եզրակացրել են, որ HVOF և աղեղային փոշեցրումը կարող են ապահովել արդյունավետության և ծախսերի լավ փոխզիջում՝ պողպատե ղեկերի մակերևույթները բարելավելու համար, մինչդեռ սառը և տաք փոշեցրումը նախընտրելի են, երբ պահանջվում է հոծ նիկելաալյումինային բրոնզի կավիտացիոն դիմադրությանը մոտ դիմադրություն։

Լաբորատորիաների և ծածկույթներ մշակողների համար վերարտադրելի արդյունքների բանալին փորձարկման պարամետրերի խիստ վերահսկումն է՝ սոնոտրոդի ամպլիտուդը, հաճախականությունը, սոնոտրոդի և նմուշի միջև հեռավորությունը, հեղուկի ջերմաստիճանը, հեղուկի քիմիական կազմը, փորձանմուշի նախապատրաստումը, կշռումների միջև ժամանակամիջոցները և էրոզիայի արագության հաշվարկը։ Այս պայմանները սահմանելու դեպքում Hielscher UIP1000hdT սարքն ապահովում է գործնական և կրկնելի եղանակ՝ ուլտրաձայնային կավիտացիան ծածկույթի շահագործման հատկությունների վերաբերյալ քանակական տվյալների վերածելու համար։

Կավիտացիոն էրոզիայի փորձարկման աշխատանքային թերթիկի օրինակ

 
Կավիտացիոն էրոզիայի փորձարկումների հրահանգները կարող եք գտնել այստեղ։

ASTM G32 կավիտացիոն էրոզիայի փորձարկման կայանք

UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT և UIP2000hdT ուլտրաձայնային սարքերը հարմար են ASTM G32 փորձարկումների համար։ Այս սարքերից յուրաքանչյուրը կարող ենք մատակարարել սոնոտրոդի ծայրի մեխանիկական տատանումների ամպլիտուդի ճշգրիտ չափման արձանագրությամբ։ Խորհուրդ ենք տալիս այս սարքերից ցանկացածն օգտագործել BS4d22 սոնոտրոդի (22mm տրամագծով) և ST2 հենակի հետ։

ASTM G32 -16 15,9mm սոնոտրոդ՝ փոխարինելի ծայրով

Նախագծում, արտադրություն և խորհրդատվություն – Գերմանիայում ստեղծված որակ

Hielscher ընկերության ուլտրաձայնային սարքերը հայտնի են որակի և նախագծման իրենց ամենաբարձր չափանիշներով։ Ամրությունն ու շահագործման դյուրինությունը թույլ են տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերը սահուն ինտեգրել արդյունաբերական կայանքներում։ Hielscher ընկերության ուլտրաձայնային սարքերը հեշտությամբ աշխատում են ծանր պայմաններում և բարձր պահանջներ ներկայացնող միջավայրերում։

Hielscher Ultrasonics ընկերությունն ունի ISO հավաստագրում և հատուկ ուշադրություն է դարձնում բարձր արդյունավետությամբ ուլտրաձայնային սարքերին, որոնք առանձնանում են գերժամանակակից տեխնոլոգիայով և օգտագործման հարմարավետությամբ։ Իհարկե, Hielscher ընկերության ուլտրաձայնային սարքերը համապատասխանում են CE պահանջներին և բավարարում են UL, CSA և RoHs պահանջները։

Գրականություն / Հղումներ

• 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.