Prove di erosione da cavitazione

L’erosione da cavitazione si verifica sulle superfici dei materiali esposte a un’intensa cavitazione ultrasonica. Le prove di erosione da cavitazione sono un metodo rapido per misurare la resistenza all’erosione di materiali o rivestimenti sottoposti a sollecitazioni intense e ad altri fattori erosivi. Forniscono una semplice misura quantitativa per il controllo qualità e sono utili nella ricerca sui materiali o nella formulazione dei rivestimenti.

Perché utilizzare le prove di erosione da cavitazione?

L’erosione o la corrosione continua può richiedere la sostituzione periodica dei componenti o il rinnovo dei rivestimenti superficiali. L’erosione superficiale dei materiali dovuta a influenze meccaniche o chimiche è un processo lento che comporta la graduale distruzione delle superfici. Pertanto, la valutazione della resistenza all’erosione di un materiale o dell’effetto erosivo di liquidi e sospensioni può richiedere molto tempo.
Le prove di erosione da cavitazione ultrasonica espongono la superficie del materiale a cicli di sollecitazione controllati, intensi e ripetuti. Ciò provoca un’erosione significativa della superficie del materiale in breve tempo. È possibile misurare rapidamente la resistenza all’erosione per il controllo qualità periodico in produzione, per la valutazione dei materiali in ingresso o durante le attività di ricerca e sviluppo.
Le applicazioni standard comprendono prove metallurgiche, prove sulle formulazioni dei rivestimenti, prove sull’applicazione dei rivestimenti o la valutazione degli inibitori dell’erosione nei liquidi.

Perché la cavitazione provoca erosione superficiale?

I dispositivi a ultrasuoni, come UP400St (400 watt, 24kHz) o UIP1000hdT (1000 watt, 20kHz), accoppiano vibrazioni ultrasoniche nei liquidi, come l’acqua. Il rapido movimento alternato della vibrazione nel liquido genera bolle di cavitazione e ne provoca il collasso. Quando le bolle collassano, si producono elevate sollecitazioni meccaniche localizzate nel liquido e sulle superfici dei materiali esposte. Getti di liquido fino a 1000km/h e pressioni locali fino a 1000atm provocano un rapido affaticamento della superficie del materiale. Questo può rimuovere strati di ossido o di passivazione, rivestimenti o depositi. Può provocare vaiolatura nei materiali solidi, come acciaio, titanio, alluminio, plastica o vetro. Pertanto, le prove di erosione da cavitazione costituiscono un metodo di prova distruttivo.

Come funzionano le prove di erosione da cavitazione?

L’erosione da cavitazione delle superfici dei materiali provoca una graduale perdita di materiale. È possibile misurare facilmente la perdita di materiale pesandolo su una bilancia di precisione prima e dopo un’esposizione definita all’erosione da cavitazione. Una variazione di peso tipica per una prova di erosione da cavitazione è compresa tra 1 e 30mg. Per un’ulteriore standardizzazione, è possibile calcolare la perdita di volume dividendo la perdita di peso per la densità del materiale. La profondità media di penetrazione (MDP) si calcola dividendo la perdita di volume per l’area superficiale del provino. In alternativa, è possibile misurare la profondità della vaiolatura o il volume spostato. L’analisi microscopica può fornire ulteriori informazioni qualitative sulla morfologia dell’erosione.
Quando si utilizza un dispositivo a ultrasuoni Hielscher per le prove di erosione da cavitazione, è possibile preimpostare l’intervallo di temperatura e l’intervallo di pressione a cui si desidera lavorare. È possibile regolare l’ampiezza della sonicazione. Tutti i parametri vengono monitorati, visualizzati e registrati su una scheda SD. Non è necessaria l’installazione di alcun software proprietario. Se lo si desidera, è possibile controllare e monitorare il processo a ultrasuoni dal proprio abituale browser web collegando il dispositivo a ultrasuoni al computer tramite il cavo Ethernet (incluso).

Qual è il metodo standard ASTM G32 per l’erosione da cavitazione mediante un apparato vibrante?

La norma ASTM G32-16 descrive un metodo standardizzato per l’erosione da cavitazione. Definisce una prova semplice, controllabile e riproducibile per quantificare e confrontare la resistenza all’erosione da cavitazione di materiali diversi. Le specifiche ATSM G32-16 sono utili per confrontare i propri risultati con quelli di altre pubblicazioni. Se si desidera introdurre le prove di erosione da cavitazione nel controllo qualità, consigliamo di adattare il protocollo di prova alle proprie esigenze specifiche. Saremo lieti di assistervi nella progettazione di un protocollo personalizzato per le prove di erosione da cavitazione. Per ulteriori informazioni sulle prove di erosione da cavitazione secondo ASTM-G32, fate clic qui!

Perché utilizzare un limite di energia invece di un limite di tempo?

Molte pubblicazioni e molti protocolli di prova dell’erosione specificano un tempo di esposizione alla cavitazione. Nei dispositivi a ultrasuoni Hielscher è possibile preimpostare un tempo di sonicazione e il sistema si arresta allo scadere di tale tempo. È quindi possibile calcolare la velocità di erosione da cavitazione risultante in mm/hr o mm3/hr. Un limite di tempo è accettabile solo se non si modifica alcun parametro, come il livello del liquido, l’ampiezza, la pressione, la temperatura, la composizione del liquido o la distanza tra il sonotrodo e la superficie del materiale. Se uno qualsiasi di questi parametri cambia, cambiano anche la potenza di sonicazione e l’intensità della cavitazione. È importante che la potenza netta effettivamente trasferita al liquido non subisca fluttuazioni durante la prova.
Nei dispositivi a ultrasuoni Hielscher è possibile impostare un limite di energia. In questo caso, il dispositivo a ultrasuoni si arresta dopo aver trasferito l’energia ultrasonica specificata. Il dispositivo Hielscher visualizza e registra parametri come la potenza netta effettiva, l’ampiezza, la pressione e la temperatura del liquido. Utilizzando un limite di energia, vengono compensate le fluttuazioni di potenza o le modifiche deliberate dei parametri. È quindi possibile esprimere la velocità di erosione da cavitazione risultante in mm/kWhr, mm3/kWhr o mg/kWhr.
Pesando il provino tra gli intervalli di erosione da cavitazione, è possibile generare una curva che mostra la perdita di peso marginale (velocità di perdita di peso in ciascun intervallo di energia) in funzione dell’energia cumulativa.
Per risultati più precisi, il dispositivo può eseguire una calibrazione automatica (30 secondi). Questa misura la potenza per tutte le impostazioni di ampiezza in aria a pressione ambiente. Il dispositivo Hielscher utilizza questi dati di calibrazione per fornire valori molto precisi della potenza netta in tempo reale.

Pressione del liquido durante la sonicazione

Molti protocolli standard per le prove di erosione da cavitazione utilizzano la cavitazione ultrasonica a pressione ambiente. La pressione del liquido è il secondo fattore più importante per l’intensità della sonicazione. Un aumento del 10% della pressione ambiente aumenta l’intensità della sonicazione di circa il 10%. Una cavitazione più intensa riduce il tempo necessario per raggiungere un determinato grado di erosione da cavitazione. Spesso la prova su un singolo provino può richiedere da 15 a 120 minuti. Se si devono testare molti provini, lavorare a pressioni più elevate può ridurre significativamente il tempo necessario per ogni prova. Le prove a 5 barg (73psig) richiedono circa l’80% di tempo in meno per ciascuna prova.
Hielscher fornisce celle di prova a tenuta di pressione con un sensore di pressione digitale per le prove di erosione da cavitazione. Utilizzando una cella a tenuta di pressione, è possibile controllare e mantenere la pressione durante ogni prova. Il generatore di ultrasuoni monitora costantemente il sensore di pressione e registra la pressione effettiva in un file CSV compatibile con Excel su una scheda SD (inclusa). Hielscher fornisce regolatori di pressione per impostare e mantenere la pressione di esercizio.
Nella versione standard, le celle di prova Hielscher a tenuta di pressione per le prove di erosione da cavitazione sono progettate per pressioni fino a 5barg (73psig). Pressioni più elevate, fino a 300barg (4350psig), sono disponibili su richiesta.

Frequenza ultrasonica

In generale, le prove di erosione da cavitazione utilizzano ultrasuoni a bassa frequenza e ad alta intensità nell’intervallo 18–30kHz. In questo intervallo, la variazione della frequenza ha un effetto molto limitato sull’intensità della cavitazione. Tutti i dispositivi Hielscher funzionano a una frequenza costante.

Distanza dal sonotrodo

Il materiale da testare può essere montato sul sonotrodo o sotto il sonotrodo. È possibile realizzare un provino filettato del materiale e montarlo all’estremità del sonotrodo a ultrasuoni. In questo caso, il provino vibra all’ampiezza ultrasonica specificata e produce cavitazione sulla propria superficie. Ciò richiede una lavorazione meccanica di precisione e non tutti i materiali sono adatti a questa soluzione.
In alternativa, è possibile fissare un componente o un provino a breve distanza sotto un sonotrodo in titanio. In questo caso, il sonotrodo in titanio produce la cavitazione e la superficie del materiale viene esposta alla cavitazione. Questa soluzione è più pratica, poiché consente di collocare nella cella di prova provini di varie dimensioni o forme. Utilizzando un sonotrodo più grande, ad esempio con un diametro di 50mm o 80mm, è possibile esporre contemporaneamente più componenti all’erosione da cavitazione. Questo è molto utile quando si devono testare molti componenti al giorno, ad esempio per il controllo qualità.
In entrambi i casi, la distanza tra il sonotrodo a ultrasuoni e la superficie del materiale adiacente è molto importante. In generale, l’erosione da cavitazione è più rapida quando si utilizza una distanza minore. Le distanze tipiche vanno da 0,2 a 15mm. Per ottenere risultati conclusivi, è opportuno utilizzare la stessa distanza per tutte le prove.

Temperatura del liquido

Un liquido più caldo determina un’intensità inferiore della cavitazione ultrasonica. L’apporto di energia di vibrazione meccanica al liquido ne provoca il riscaldamento. Per mantenere una temperatura costante durante ogni prova di erosione da cavitazione, il liquido deve essere raffreddato. Hielscher fornisce contenitori incamiciati e celle a tenuta di pressione incamiciate. In alternativa, è possibile utilizzare una serpentina di raffreddamento in un becher oppure collocare il becher in un bagno di ghiaccio. Un fluido refrigerante che scorre attraverso la camicia o la serpentina di raffreddamento sottrae calore al liquido.
I dispositivi a ultrasuoni Hielscher, come UP400St o UIP1000hdT, sono dotati di una sonda di temperatura PT100 (inclusa). Il generatore di ultrasuoni monitora continuamente la temperatura effettiva del liquido e la registra in un file CSV compatibile con Excel su una scheda SD (inclusa). È possibile impostare il generatore in modo che sospenda la prova di erosione da cavitazione qualora la temperatura del liquido si discosti troppo dal valore impostato, ad esempio a causa di una capacità di raffreddamento insufficiente. Il generatore può riprendere automaticamente la sonicazione quando il liquido raggiunge nuovamente la temperatura specificata.

Liquido sottoposto a cavitazione

In generale, le prove di erosione da cavitazione utilizzano acqua, ad esempio acqua distillata. Liquidi diversi presentano caratteristiche di cavitazione diverse. Se l’acqua è corrosiva per il materiale, è possibile testare liquidi alternativi, come oli siliconici a bassa viscosità o solventi organici, per eliminare o ridurre il fattore corrosivo. In alternativa, è possibile rendere il liquido più corrosivo, ad esempio modificando il pH, oppure più abrasivo aggiungendo particelle abrasive. Le prove di erosione da cavitazione possono essere utilizzate per valutare l’erosività e la corrosività dei liquidi, come i fanghi di perforazione, o per valutare l’efficacia degli inibitori della corrosione o dell’erosione.

Lavorazione meccanica

Durante la fabbricazione di un componente o di un provino, la lavorazione CNC, la rettifica o la lucidatura danneggiano la struttura dei grani in prossimità della superficie del materiale. Ciò riduce la resistenza all’erosione.

Strati di passivazione/ossido

Molto spesso erosione e corrosione si verificano contemporaneamente. L’acqua, ad esempio distillata, demineralizzata o deionizzata, può essere corrosiva per molti materiali. La cavitazione ultrasonica favorisce la corrosione. Gli strati di passivazione, ad esempio sull’alluminio anodizzato, aumentano la resistenza della superficie di un materiale all’erosione e alla corrosione.

Quali limiti presentano le prove di erosione da cavitazione?

Alcuni elastomeri possono richiedere un’esposizione a una cavitazione molto intensa per mostrare qualsiasi erosione da cavitazione. In questo caso, la sonicazione senza una cella pressurizzata potrebbe non produrre alcun effetto misurabile.