Prove pratiche di erosione da cavitazione dei rivestimenti in bronzo per applicazioni marine

Le prove di erosione da cavitazione sono particolarmente utili quando collegano un’esposizione controllata in laboratorio a un problema ingegneristico reale. Un esempio pratico è la valutazione di rivestimenti in bronzo resistenti alla cavitazione per componenti navali come timoni ed eliche. Questi componenti operano in zone in cui le fluttuazioni locali di pressione possono generare bolle di vapore che collassano vicino alla superficie, creando carichi d’urto ripetuti ad alta intensità. Nel tempo, ciò provoca vaiolatura, danni da fatica, cedimento del rivestimento e perdita di materiale.

Prova di erosione da cavitazione dei rivestimenti in bronzo

Nello studio di Hauer et al., i rivestimenti in bronzo prodotti mediante spruzzatura a freddo, spruzzatura a caldo, spruzzatura HVOF e spruzzatura ad arco sono stati confrontati con bronzo al nichel-alluminio colato e acciaio per costruzioni navali. La domanda centrale era semplice: quale processo di rivestimento può produrre una superficie in bronzo che resista all’esposizione alla cavitazione abbastanza a lungo da essere utilizzata in ambiente marino? Per rispondere, i ricercatori hanno utilizzato una prova di erosione da cavitazione basata sulla norma ASTM G32-16 con un apparato vibratorio, impiegando come sistema di prova un sistema vibratorio a ultrasuoni Hielscher UIP1000hdT.

Controllo preciso delle condizioni di prova e registrazione automatizzata dei dati

Il sonicatore UIP1000hdT è particolarmente adatto a questo tipo di prova perché eroga ultrasuoni ad alta intensità e bassa frequenza nell’intervallo utilizzato per le prove di erosione da cavitazione. La configurazione per la prova di erosione da cavitazione con il sonicatore da 1000 watt opera a 20 kHz e consente il monitoraggio preciso del processo, il controllo dell’ampiezza, la misurazione della temperatura e la registrazione automatica dei dati di prova. Queste funzioni sono importanti perché l’intensità della cavitazione dipende fortemente dall’ampiezza, dalla temperatura e dalla pressione del liquido, dalla geometria del sonotrodo e dalla distanza tra il sonotrodo e il provino.

(a) Prova di erosione da cavitazione secondo ASTM G32-16 con sonicatore UIP1000hd (metodo indiretto). Tutti i parametri di prova sono valori nominali; le tolleranze sono riportate nella norma.
(b) Rappresentazione schematica delle fasi della curva erosione-tempo e dei parametri caratteristici della procedura di prova.
Illustrazioni e studio: ©Hauer et al., 2021.

Prova di erosione da cavitazione ultrasonica dei rivestimenti in bronzo

Nell’esempio dei rivestimenti in bronzo per applicazioni marine, la prova è stata eseguita nella configurazione indiretta prevista dalla norma ASTM G32. In questa configurazione, il provino non è fissato alla tromba vibrante. Il sonotrodo a ultrasuoni genera invece cavitazione in acqua distillata e il provino rivestito è fissato sotto il sonotrodo a una distanza definita. Hauer et al. hanno utilizzato una distanza di 0,5 mm tra campione e sonotrodo, una frequenza di 20 kHz e un’ampiezza picco-picco di 50 µm. Il liquido di prova era acqua distillata, mantenuta approssimativamente a temperatura ambiente, intorno a 25 °C.

La preparazione del provino è una fase critica. Prima dell’esposizione alla cavitazione, le superfici rivestite sono state rettificate e lucidate gradualmente, fino a utilizzare un abrasivo diamantato fine con granulometria inferiore a 4 µm. Ciò riduce l’influenza di particelle debolmente aderenti o di irregolarità superficiali che potrebbero altrimenti staccarsi immediatamente e alterare la curva di erosione. L’obiettivo non è migliorare l’aspetto del rivestimento, ma creare una condizione iniziale riproducibile, affinché la perdita di massa misurata rifletta la resistenza alla cavitazione anziché una preparazione superficiale inadeguata.

La procedura di prova di erosione da cavitazione ultrasonica e i suoi risultati

La procedura pratica di prova è semplice. Innanzitutto, ogni provino viene pulito, asciugato e pesato su una bilancia di precisione. Viene quindi montato nella cella di prova sotto il sonotrodo BS4d22 del sonicatore UIP1000hdT, impostando con cura e in modo ripetibile la distanza di 0,5 mm. Il sonicatore viene azionato all’ampiezza e alla frequenza definite, mentre la temperatura del liquido viene controllata per evitare che il riscaldamento modifichi l’intensità della cavitazione. Dopo un intervallo di esposizione definito, il provino viene rimosso, pulito, asciugato e pesato nuovamente. Questa sequenza viene ripetuta con intervalli di esposizione crescenti, dipendenti dal materiale, fino a ottenere una curva di erosione completa.
La misura grezza è la perdita di massa. Per il confronto ingegneristico, questa perdita di massa viene convertita in perdita di volume utilizzando la densità del materiale. La perdita di volume viene quindi divisa per l’area della superficie esposta per determinare la profondità media di erosione. Dalla curva della profondità di erosione, il ricercatore può calcolare parametri caratteristici come la velocità massima di erosione, la velocità terminale di erosione e la profondità media di erosione. Hielscher segnala inoltre che, a seconda del protocollo scelto, l’erosione può essere espressa come massa, volume o profondità di penetrazione per unità di tempo o per unità di energia ultrasonica erogata.

Profondità medie di erosione in funzione dei parametri n di qualità del rivestimento regolati. La ricottura della polvere e la conseguente riduzione della sua resistenza meccanica consentono di ottenere rivestimenti di alta qualità. I riquadri mostrano il danno superficiale ottenuto dopo un tempo di prova di cavitazione di 100min.
Grafici e studio: ©Hauer et al., 2021.

Un insegnamento importante dello studio di Hauer è che le velocità di erosione iniziali possono essere fuorvianti. I rivestimenti ottenuti mediante spruzzatura termica e cinetica mostravano spesso un’elevata perdita iniziale di materiale, seguita da una velocità di erosione più bassa e più stabile. Per questo motivo, Hauer et al. hanno utilizzato la velocità terminale di erosione come indicatore più rappresentativo delle prestazioni a lungo termine del rivestimento. Nel confronto della durata di 120 minuti, la velocità terminale di erosione è stata valutata principalmente nella seconda metà della prova, oltre i 60 minuti, per caratterizzare meglio il comportamento stabilizzato.

I risultati delle prove mostrano il valore di un apparato vibratorio controllato per la cavitazione. Il bronzo al nichel-alluminio colato ha raggiunto una velocità terminale di erosione di circa 0,40 µm/h. Il bronzo ottimizzato ottenuto mediante spruzzatura a caldo ha raggiunto 0,57 µm/h, un valore vicino a quello del riferimento colato. Un rivestimento ottimizzato ottenuto mediante spruzzatura ad arco su acciaio per costruzioni navali ha raggiunto circa 1,02 µm/h, mentre un rivestimento HVOF ottimizzato ha raggiunto circa 1,74 µm/h. Anche quando questi rivestimenti non eguagliavano pienamente il bronzo colato per eliche, le loro prestazioni erano nettamente superiori a quelle dell’acciaio per costruzioni navali; lo studio riporta che i rivestimenti ottenuti mediante spruzzatura ad arco e HVOF hanno raggiunto una resistenza alla cavitazione rispettivamente circa 26 e 16 volte superiore a quella dell’acciaio VL-A.

Utilizzate un sonicatore come apparato vibratorio per le vostre prove di erosione da cavitazione

La conclusione pratica è che le prove di erosione da cavitazione con il sonicatore UIP1000hdT come apparato vibratorio possono fare molto più che classificare i materiali. Rivelano come il processo di rivestimento, la microstruttura, il contenuto di ossidi, la porosità, l’adesione all’interfaccia e il trattamento successivo influenzino il comportamento reale all’erosione. Hauer et al. hanno concluso che la spruzzatura HVOF e quella ad arco possono offrire un valido compromesso tra prestazioni e costi per migliorare le superfici dei timoni in acciaio, mentre la spruzzatura a freddo e quella a caldo sono preferibili quando è richiesta una resistenza alla cavitazione vicina a quella del bronzo al nichel-alluminio massivo.

Per i laboratori e gli sviluppatori di rivestimenti, la chiave per ottenere risultati riproducibili è il controllo rigoroso dei parametri di prova: ampiezza del sonotrodo, frequenza, distanza tra sonotrodo e campione, temperatura del liquido, composizione chimica del liquido, preparazione del provino, intervalli di pesatura e calcolo della velocità di erosione. Una volta definite queste condizioni, Hielscher UIP1000hdT offre un metodo pratico e ripetibile per tradurre la cavitazione ultrasonica in dati quantitativi sulle prestazioni dei rivestimenti.

Esempio di scheda di lavoro per prove di erosione da cavitazione

 
Qui potete trovare le istruzioni per le prove di erosione da cavitazione!

Configurazione per la prova di erosione da cavitazione ASTM G32

I sonicatori UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT e UIP2000hdT sono adatti alle prove secondo ASTM G32. Possiamo fornire ciascuna di queste unità con un accurato protocollo di misurazione dell’ampiezza meccanica alla punta del sonotrodo. Raccomandiamo di utilizzare uno di questi dispositivi con un sonotrodo BS4d22 (diametro di 22mm) e un supporto ST2.

Sonotrodo da 15,9mm con punta sostituibile per ASTM G32 -16

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

I sonicatori Hielscher sono rinomati per i loro elevatissimi standard di qualità e progettazione. La robustezza e la facilità d’uso consentono di integrare agevolmente i nostri sonicatori negli impianti industriali. I sonicatori Hielscher affrontano facilmente condizioni difficili e ambienti esigenti.

Hielscher Ultrasonics è un’azienda certificata ISO e dedica particolare attenzione ai sonicatori ad alte prestazioni caratterizzati da tecnologia all’avanguardia e facilità d’uso. Naturalmente, i sonicatori Hielscher sono conformi alla normativa CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoHs.

Letteratura / Riferimenti bibliografici

• 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.