Pengujian Erosi Kavitasi Terapan pada Lapisan Perunggu Kelautan

Pengujian erosi kavitasi paling bermanfaat ketika menghubungkan paparan terkontrol di laboratorium dengan masalah teknik yang nyata. Contoh praktisnya adalah evaluasi lapisan perunggu tahan kavitasi untuk komponen maritim seperti kemudi dan baling-baling kapal. Komponen-komponen ini beroperasi di zona di mana fluktuasi tekanan lokal dapat menghasilkan gelembung uap yang runtuh di dekat permukaan, sehingga menimbulkan beban benturan berintensitas tinggi yang berulang. Seiring waktu, hal ini menyebabkan lubang-lubang kecil (pitting), kerusakan akibat kelelahan, kegagalan lapisan, dan kehilangan material.

Uji Erosi Kavitasi pada Lapisan Perunggu

Dalam penelitian yang dilakukan oleh Hauer dkk., lapisan perunggu yang dihasilkan melalui metode cold spraying, warm spraying, HVOF spraying, dan arc spraying dibandingkan dengan perunggu nikel-aluminium cor serta baja kapal. Pertanyaan utamanya sederhana: proses pelapisan mana yang dapat menghasilkan permukaan perunggu yang mampu bertahan dari paparan kavitasi cukup lama untuk penggunaan di lingkungan laut? Untuk menjawabnya, para peneliti menggunakan uji erosi kavitasi berdasarkan ASTM G32-16 dengan alat getar, termasuk sistem getar ultrasonik Hielscher UIP1000hdT sebagai sistem uji.

Pengendalian Kondisi Pengujian yang Akurat dan Perekaman Data Secara Otomatis

Sonicator UIP1000hdT sangat cocok untuk jenis pengujian ini karena menghasilkan gelombang ultrasonik berintensitas tinggi dan frekuensi rendah pada rentang yang digunakan untuk pengujian erosi kavitasi. Pengaturan uji erosi kavitasi yang menggunakan sonicator 1000 watt ini beroperasi pada 20 kHz, dan memungkinkan pemantauan proses yang presisi, pengendalian amplitudo, pengukuran suhu, serta pencatatan data uji secara otomatis. Fungsi-fungsi ini penting karena intensitas kavitasi sangat bergantung pada amplitudo, suhu cairan, tekanan cairan, geometri sonotrode, dan jarak antara sonotrode dan spesimen.

(a) Uji erosi kavitasi sesuai dengan ASTM G32-16 menggunakan alat sonikasi UIP1000hd (metode tidak langsung). Semua parameter uji merupakan nilai nominal; batas toleransi tercantum dalam standar tersebut.
(b) Fase-fase skematis pada kurva erosi-waktu dan parameter-parameter karakteristik dalam prosedur pengujian.
Gambar dan penelitian: ©Hauer dkk., 2021.

Uji Erosi Kavitasi Ultrasonik pada Lapisan Perunggu

Untuk contoh lapisan perunggu kelautan, pengujian dilakukan dengan pengaturan tidak langsung sesuai standar ASTM G32. Dalam konfigurasi ini, spesimen tidak dipasang pada tanduk getar. Sebaliknya, sonotrode ultrasonik menghasilkan kavitasi dalam air suling, dan spesimen yang dilapisi dipasang di bawah sonotrode pada jarak tertentu. Hauer dkk. menggunakan jarak 0,5 mm antara sampel dan sonotrode, frekuensi 20 kHz, serta amplitudo puncak-ke-puncak sebesar 50 µm. Cairan uji yang digunakan adalah air suling, yang dijaga pada suhu sekitar suhu kamar, yaitu sekitar 25 °C.

Persiapan spesimen merupakan langkah yang sangat penting. Sebelum terpapar kavitasi, permukaan yang dilapisi digiling dan dipoles secara bertahap menggunakan abrasif berlian halus dengan ukuran di bawah 4 µm. Hal ini mengurangi pengaruh partikel yang menempel longgar atau ketidakteraturan permukaan yang, jika tidak, dapat terlepas seketika dan mendistorsi kurva erosi. Tujuannya bukanlah untuk membuat lapisan tersebut terlihat bagus, melainkan untuk menciptakan kondisi awal yang dapat direproduksi sehingga kehilangan massa yang diukur mencerminkan ketahanan terhadap kavitasi, bukan persiapan permukaan yang buruk.

Prosedur Pengujian Erosi Kavitasi Ultrasonik dan Hasilnya

Prosedur uji praktisnya cukup sederhana. Pertama, setiap spesimen dibersihkan, dikeringkan, dan ditimbang menggunakan timbangan presisi. Selanjutnya, spesimen dipasang di dalam sel uji di bawah sonotrode BS4d22 dari alat sonikasi UIP1000hdT dengan celah 0,5 mm yang diatur secara cermat dan konsisten. Alat sonikasi dioperasikan pada amplitudo dan frekuensi yang telah ditentukan, sementara suhu cairan dikendalikan untuk mencegah pemanasan yang dapat mengubah intensitas kavitasi. Setelah interval paparan yang ditentukan, spesimen dikeluarkan, dibersihkan, dikeringkan, dan ditimbang kembali. Urutan ini diulangi dengan interval paparan yang semakin lama, tergantung pada bahan, hingga diperoleh kurva erosi yang lengkap.
Pengukuran mentahnya adalah kehilangan massa. Untuk keperluan perbandingan teknik, kehilangan massa ini dikonversi menjadi kehilangan volume dengan menggunakan densitas bahan. Kehilangan volume tersebut kemudian dibagi dengan luas permukaan yang terpapar untuk menentukan kedalaman erosi rata-rata. Dari kurva kedalaman erosi, peneliti dapat menghitung parameter erosi karakteristik seperti laju erosi maksimum, laju erosi terminal, dan kedalaman erosi rata-rata. Hielscher juga mencatat bahwa erosi dapat dilaporkan sebagai massa, volume, atau kedalaman penetrasi per satuan waktu atau per energi ultrasonik yang disalurkan, tergantung pada protokol yang dipilih.

Kedalaman erosi rata-rata sebagai fungsi dari parameter kualitas lapisan yang telah disesuaikan n. Proses anil bubuk, yang mengakibatkan berkurangnya kekuatan bubuk, memungkinkan tercapainya kualitas lapisan yang tinggi. Gambar-gambar tersebut menunjukkan kerusakan permukaan yang terjadi setelah uji kavitasi selama 100 menit.
Grafik dan penelitian: ©Hauer dkk., 2021.

Salah satu pelajaran penting dari studi Hauer adalah bahwa laju erosi awal dapat menyesatkan. Lapisan yang dihasilkan melalui penyemprotan termal dan kinetik sering kali menunjukkan kehilangan material awal yang tinggi, diikuti oleh laju erosi yang lebih rendah dan lebih stabil. Karena alasan ini, Hauer dkk. menggunakan laju erosi terminal sebagai indikator yang lebih representatif terhadap kinerja lapisan dalam jangka panjang. Dalam perbandingan selama 120 menit tersebut, laju erosi terminal dievaluasi terutama dari paruh kedua pengujian, yaitu setelah 60 menit, untuk lebih menggambarkan perilaku yang telah stabil.

Hasil pengujian menunjukkan mengapa alat kavitasi getaran terkendali sangat bermanfaat. Perunggu nikel-aluminium cor mencapai laju erosi akhir sekitar 0,40 µm/jam. Perunggu hasil penyemprotan panas yang dioptimalkan mencapai 0,57 µm/jam, mendekati nilai referensi bahan cor. Lapisan yang dioptimalkan dengan metode penyemprotan busur pada baja pembuat kapal mencapai sekitar 1,02 µm/jam, sedangkan lapisan HVOF yang dioptimalkan mencapai sekitar 1,74 µm/jam. Meskipun lapisan-lapisan ini tidak sepenuhnya menyamai perunggu baling-baling cor, kinerjanya jauh lebih unggul daripada baja pembuat kapal; studi tersebut melaporkan bahwa lapisan yang disemprot dengan metode busur dan HVOF masing-masing mencapai ketahanan kavitasi sekitar 26 kali dan 16 kali lebih baik daripada baja VL-A.

Gunakan Sonicator sebagai Alat Getar untuk Uji Erosi Kavitasi Anda

Kesimpulan praktisnya adalah bahwa pengujian erosi kavitasi dengan menggunakan sonikator UIP1000hdT sebagai alat getar tidak hanya berfungsi untuk mengklasifikasikan bahan. Pengujian ini mengungkap bagaimana proses pelapisan, mikrostruktur, kandungan oksida, porositas, ikatan antarmuka, dan perlakuan lanjutan memengaruhi perilaku erosi yang sebenarnya. Hauer dkk. menyimpulkan bahwa HVOF dan penyemprotan busur listrik dapat menawarkan keseimbangan kinerja-biaya yang baik untuk meningkatkan permukaan kemudi baja, sedangkan penyemprotan dingin dan hangat lebih disukai ketika diperlukan ketahanan kavitasi yang mendekati nikel-aluminium-perunggu padat.

Bagi laboratorium dan pengembang lapisan, kunci untuk mendapatkan hasil yang dapat direproduksi adalah pengendalian yang ketat terhadap parameter pengujian: amplitudo sonotrode, frekuensi, jarak sonotrode ke sampel, suhu cairan, komposisi kimia cairan, persiapan spesimen, interval penimbangan, dan perhitungan laju erosi. Dengan kondisi-kondisi tersebut telah ditetapkan, Hielscher UIP1000hdT menyediakan cara praktis dan dapat diulang untuk mengubah kavitasi ultrasonik menjadi data kinerja pelapisan yang kuantitatif.

Contoh Lembar Kerja untuk Pengujian Erosi Kavitasi

 
Anda dapat menemukan petunjuk untuk Uji Erosi Kavitasi di sini!

Pengaturan Uji Erosi Kavitasi ASTM G32

Alat sonikasi UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT, dan UIP2000hdT cocok untuk pengujian sesuai standar ASTM G32. Kami dapat menyediakan masing-masing unit ini dilengkapi dengan alat ukur yang akurat protokol pengukuran amplitudo dari amplitudo mekanis pada ujung sonotrode. Kami merekomendasikan penggunaan salah satu dari perangkat ini bersama sonotrode BS4d22 (diameter 22 mm) dan dudukan ST2.

ASTM G32 -16 15.9mm Sonotrode Dengan Ujung yang Dapat Diganti

Desain, Manufaktur, dan Konsultasi – Kualitas Buatan Jerman

Ultrasonicators Hielscher terkenal dengan kualitas dan standar desainnya yang tertinggi. Ketahanan dan pengoperasian yang mudah memungkinkan integrasi ultrasonicator kami ke dalam fasilitas industri. Kondisi kasar dan lingkungan yang menuntut mudah ditangani oleh ultrasonicator Hielscher.

Hielscher Ultrasonics adalah perusahaan bersertifikat ISO dan memberikan penekanan khusus pada ultrasonicators berkinerja tinggi yang menampilkan teknologi canggih dan keramahan pengguna. Tentu saja, ultrasonicators Hielscher sesuai dengan CE dan memenuhi persyaratan UL, CSA dan RoHs.

Literatur / Referensi