Pengujian Praktis Erosi Kavitasi pada Lapisan Perunggu untuk Aplikasi Kelautan

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

Uji Erosi Kavitasi pada Lapisan Perunggu

Dalam studi oleh Hauer et al., lapisan perunggu yang dihasilkan melalui penyemprotan dingin, penyemprotan hangat, penyemprotan HVOF, dan penyemprotan busur listrik dibandingkan dengan perunggu nikel aluminium cor dan baja pembuatan kapal. Pertanyaan utamanya sederhana: proses pelapisan mana yang dapat menghasilkan permukaan perunggu yang mampu bertahan terhadap paparan kavitasi cukup lama untuk penggunaan di laut? Untuk menjawabnya, para peneliti menggunakan uji erosi kavitasi berdasarkan ASTM G32-16 dengan alat getar, termasuk sistem getar ultrasonik Hielscher UIP1000hdT sebagai sistem pengujian.

Kontrol Presisi atas Kondisi Pengujian dan Pencatatan Data Otomatis

Sonikator UIP1000hdT sangat sesuai untuk jenis pengujian ini karena menghasilkan ultrasonik berintensitas tinggi dan berfrekuensi rendah dalam rentang yang digunakan untuk pengujian erosi kavitasi. Susunan peralatan uji erosi kavitasi yang menggunakan sonikator 1000 watt beroperasi pada 20 kHz dan memungkinkan pemantauan proses yang presisi, kontrol amplitudo, pengukuran suhu, serta pencatatan data pengujian 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 ASTM G32-16 dengan sonikator UIP1000hd (metode tidak langsung). Semua parameter pengujian merupakan nilai nominal; toleransinya tercantum dalam standar.
(b) Fase-fase skematis dalam kurva erosi terhadap waktu dan parameter karakteristik dalam prosedur pengujian.
Grafik dan studi: ©Hauer et al., 2021.

Uji Erosi Kavitasi Ultrasonik pada Lapisan Perunggu

Untuk contoh lapisan perunggu bagi aplikasi kelautan, pengujian dilakukan dengan susunan tidak langsung ASTM G32. Dalam konfigurasi ini, spesimen tidak dipasang pada horn yang bergetar. Sebaliknya, sonotrode ultrasonik menghasilkan kavitasi dalam air suling, dan spesimen berlapis dipasang tetap di bawah sonotrode dengan celah yang ditentukan. Hauer et al. menggunakan jarak 0,5 mm antara sampel dan sonotrode, frekuensi 20 kHz, serta amplitudo puncak-ke-puncak 50 µm. Cairan pengujian adalah air suling, yang dijaga pada suhu kurang lebih sama dengan suhu ruang, sekitar 25 °C.

Persiapan spesimen merupakan langkah yang sangat penting. Sebelum paparan kavitasi, permukaan berlapis digerinda dan dipoles secara bertahap hingga menggunakan abrasif intan halus berukuran di bawah 4 µm. Hal ini mengurangi pengaruh partikel yang melekat longgar atau ketidakrataan permukaan yang dapat segera terlepas dan mendistorsi kurva erosi. Tujuannya bukan untuk membuat lapisan tampak bagus, melainkan untuk menciptakan kondisi awal yang dapat direproduksi agar kehilangan massa yang terukur mencerminkan ketahanan terhadap kavitasi, bukan persiapan permukaan yang buruk.

Prosedur Pengujian Erosi Kavitasi Ultrasonik dan Hasilnya

Prosedur pengujian praktis ini sederhana. Pertama, setiap spesimen dibersihkan, dikeringkan, dan ditimbang dengan neraca presisi. Spesimen kemudian dipasang dalam sel uji di bawah sonotrode BS4d22 dari sonikator UIP1000hdT, dengan celah 0,5 mm yang diatur secara cermat dan konsisten. Sonikator dioperasikan pada amplitudo dan frekuensi yang ditentukan, sementara suhu cairan dikontrol untuk mencegah pemanasan mengubah intensitas kavitasi. Setelah interval paparan yang ditentukan, spesimen dikeluarkan, dibersihkan, dikeringkan, dan ditimbang kembali. Urutan ini diulang dengan interval paparan yang semakin panjang dan bergantung pada material hingga diperoleh kurva erosi yang lengkap.
Hasil pengukuran langsung adalah kehilangan massa. Untuk perbandingan rekayasa, kehilangan massa ini dikonversi menjadi kehilangan volume menggunakan densitas material. Kehilangan volume kemudian dibagi dengan luas permukaan yang terpapar untuk menentukan kedalaman erosi rata-rata. Dari kurva kedalaman erosi, peneliti dapat menghitung parameter karakteristik erosi seperti laju erosi maksimum, laju erosi terminal, dan kedalaman erosi rata-rata. Hielscher juga menyatakan bahwa erosi dapat dilaporkan sebagai massa, volume, atau kedalaman penetrasi per satuan waktu atau per energi ultrasonik yang diberikan, bergantung pada protokol yang dipilih.

Kedalaman erosi rata-rata sebagai fungsi parameter kualitas lapisan n yang disesuaikan. Anil serbuk, yang dengan demikian mengurangi kekuatan serbuk, memungkinkan tercapainya kualitas lapisan yang tinggi. Gambar sisipan menunjukkan kerusakan permukaan yang diperoleh setelah waktu pengujian kavitasi 100min.
Grafik dan studi: ©Hauer et al., 2021.

Salah satu pelajaran penting dari studi Hauer adalah bahwa laju erosi awal dapat menyesatkan. Lapisan yang disemprotkan secara termal dan kinetik sering menunjukkan kehilangan material awal yang tinggi, diikuti oleh laju erosi yang lebih rendah dan lebih stabil. Karena alasan ini, Hauer et al. menggunakan laju erosi terminal sebagai indikator yang lebih representatif untuk kinerja lapisan jangka panjang. Dalam perbandingan selama 120 menit, laju erosi terminal terutama dievaluasi dari paruh kedua pengujian, setelah 60 menit, untuk lebih mencerminkan perilaku yang telah stabil.

Hasil pengujian menunjukkan mengapa alat kavitasi getar yang terkendali bernilai penting. Perunggu nikel aluminium cor mencapai laju erosi terminal sekitar 0,40 µm/h. Perunggu hasil penyemprotan hangat yang dioptimalkan mencapai 0,57 µm/h, mendekati material cor acuan. Lapisan hasil penyemprotan busur listrik yang dioptimalkan pada baja pembuatan kapal mencapai sekitar 1,02 µm/h, sedangkan lapisan HVOF yang dioptimalkan mencapai sekitar 1,74 µm/h. Meskipun lapisan-lapisan ini belum sepenuhnya menyamai perunggu cor untuk baling-baling, kinerjanya jauh melampaui baja pembuatan kapal; studi tersebut melaporkan bahwa lapisan hasil penyemprotan busur listrik dan penyemprotan HVOF masing-masing mencapai ketahanan terhadap kavitasi sekitar 26 kali dan 16 kali lebih baik daripada baja VL-A.

Gunakan Sonikator sebagai Alat Getar untuk Uji Erosi Kavitasi Anda

Kesimpulan praktisnya adalah bahwa pengujian erosi kavitasi dengan sonikator UIP1000hdT sebagai alat getar dapat melakukan lebih dari sekadar memeringkat material. Pengujian ini mengungkap bagaimana proses pelapisan, mikrostruktur, kandungan oksida, porositas, ikatan antarmuka, dan perlakuan pascaproses memengaruhi perilaku erosi yang nyata. Hauer et al. menyimpulkan bahwa penyemprotan HVOF dan busur listrik dapat menawarkan kompromi yang baik antara kinerja dan biaya untuk meningkatkan kualitas permukaan kemudi baja, sedangkan penyemprotan dingin dan hangat lebih diutamakan ketika diperlukan ketahanan terhadap kavitasi yang mendekati perunggu nikel aluminium dalam bentuk masif.

Bagi laboratorium dan pengembang lapisan, kunci untuk memperoleh hasil yang dapat direproduksi adalah kontrol ketat atas 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 ini ditentukan, Hielscher UIP1000hdT menyediakan cara yang praktis dan dapat diulang untuk mengubah kavitasi ultrasonik menjadi data kuantitatif tentang kinerja lapisan.

Contoh Lembar Kerja untuk Pengujian Erosi Kavitasi

 
Anda dapat menemukan petunjuk Uji Erosi Kavitasi di sini!

Susunan Peralatan Uji Erosi Kavitasi ASTM G32

Sonikator UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT dan UIP2000hdT sesuai untuk pengujian ASTM G32. Kami dapat memasok setiap unit ini beserta protokol pengukuran amplitudo yang akurat untuk amplitudo mekanis pada ujung sonotrode. Kami merekomendasikan penggunaan salah satu perangkat ini dengan sonotrode BS4d22 (diameter 22mm) dan penyangga ST2.

Sonotrode 15,9mm dengan Ujung yang Dapat Diganti untuk ASTM G32 -16

Desain, Manufaktur dan Konsultasi – Kualitas Buatan Jerman

Ultrasonikator Hielscher dikenal luas karena standar kualitas dan desainnya yang tertinggi. Ketangguhan dan kemudahan pengoperasian memungkinkan integrasi ultrasonikator kami secara lancar ke dalam fasilitas industri. Ultrasonikator Hielscher mampu menangani kondisi berat dan lingkungan yang menuntut dengan mudah.

Hielscher Ultrasonics adalah perusahaan bersertifikat ISO dan memberikan perhatian khusus pada ultrasonikator berkinerja tinggi yang dilengkapi teknologi mutakhir dan mudah digunakan. Tentu saja, ultrasonikator Hielscher mematuhi ketentuan CE dan memenuhi persyaratan UL, CSA dan RoHs.

Literatur / Referensi

• 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.