Test di cavitazione ed erosione

L'erosione per cavitazione si verifica sulle superfici dei materiali esposti a un'intensa cavitazione ultrasonica. Il test di erosione per cavitazione è un metodo rapido per misurare la resistenza all'erosione di materiali o rivestimenti a sollecitazioni intense e ad altri fattori di erosione. Fornisce una misura quantitativa facile per il controllo della qualità e utile durante la ricerca sui materiali o la formulazione dei rivestimenti.

Perché utilizzare i test di erosione per cavitazione?

L'erosione o la corrosione in corso possono richiedere la sostituzione regolare di parti o il rinnovo dei rivestimenti superficiali. L'erosione della superficie del materiale dovuta a influenze meccaniche o chimiche è un processo lento che porta alla graduale distruzione delle superfici del materiale. Pertanto, la valutazione della resistenza all'erosione del materiale o dell'effetto erosivo di liquidi e impasti può richiedere molto tempo.
I test di erosione con cavitazione a ultrasuoni espongono la superficie del materiale a cicli di sollecitazione controllati, intensi e ripetuti. In questo modo si ottiene una significativa erosione della superficie del materiale in un breve lasso di tempo. È possibile misurare rapidamente la resistenza all'erosione per il regolare controllo della qualità in produzione, per la valutazione dei materiali in arrivo o durante la ricerca e lo sviluppo.
Le applicazioni standard includono test metallurgici, test di formulazione dei rivestimenti, test di applicazione dei rivestimenti o la valutazione degli inibitori dell'erosione nei liquidi.

Perché la cavitazione causa l'erosione superficiale?

I dispositivi a ultrasuoni, come l'UP400St (400 watt, 24kHz) o l'UIP1000hdT (1000 watt, 20kHz) accoppiano le vibrazioni ultrasoniche a liquidi come l'acqua. Il rapido movimento reciproco delle vibrazioni nel liquido produce e fa collassare le bolle di cavitazione. Quando le bolle collassano, si verificano forti sollecitazioni meccaniche localizzate nel liquido e sulle superfici esposte del materiale. Getti di liquido fino a 1000 km/h e pressioni locali fino a 1000atm portano a un rapido affaticamento della superficie del materiale. Questo può rimuovere strati di ossido o passivazione, rivestimenti o incrostazioni. Può causare la vaiolatura di materiali solidi, come acciaio, titanio, alluminio, plastica o vetro. Il test di erosione per cavitazione è quindi un metodo di prova distruttivo.

Come funzionano i test di erosione per cavitazione?

L'erosione per cavitazione delle superfici dei materiali causa una graduale perdita di materiale. È possibile misurare facilmente la perdita di materiale pesando il materiale su una bilancia di precisione prima e dopo una determinata esposizione all'erosione per cavitazione. Una variazione di peso tipica per un test di erosione per cavitazione è compresa tra 1 e 30 mg. 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 la superficie del provino. In alternativa, si può misurare la profondità del pitting o il volume spostato. È possibile utilizzare l'analisi microscopica per ottenere ulteriori informazioni qualitative sul modello di erosione.
Quando si utilizza un dispositivo a ultrasuoni Hielscher per i test di erosione per cavitazione, è possibile preimpostare l'intervallo di temperatura e di pressione a cui si desidera lavorare. È possibile regolare l'ampiezza della sonicazione. Tutti i parametri vengono monitorati, visualizzati e protocollati su una scheda SD. Non è necessario installare alcun software proprietario. Se si desidera, è possibile controllare e monitorare il processo a ultrasuoni da un normale 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 apparecchio vibrante?

Lo standard ASTM G32-16 descrive un metodo standardizzato per l'erosione per cavitazione. Definisce un test semplice, controllabile e riproducibile per quantificare e confrontare la resistenza all'erosione per cavitazione di diversi materiali. Le specifiche ATSM G32-16 sono utili per confrontare i risultati ottenuti con quelli di altre pubblicazioni. Se desiderate implementare i test di erosione per cavitazione nel controllo qualità, vi consigliamo di adattare il protocollo di test di erosione per cavitazione alle vostre esigenze specifiche. Saremo lieti di assistervi nella progettazione di un protocollo di prova di erosione per cavitazione personalizzato. Per ulteriori informazioni sui test di erosione per cavitazione in conformità alla norma ASTM-G32, fare clic qui!

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

Molte pubblicazioni e protocolli di test di erosione specificano un tempo di esposizione alla cavitazione. Nei dispositivi a ultrasuoni Hielscher, è possibile preimpostare un tempo di sonicazione e il sistema si arresterà una volta trascorso questo tempo. È quindi possibile calcolare il tasso di erosione per cavitazione risultante in mm/ora o mm3/ora. 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 lo spazio tra il sonotrodo e la superficie del materiale. Se uno di questi parametri cambia, cambierà anche la potenza della sonicazione e l'intensità della cavitazione. È importante che la potenza netta effettiva erogata al liquido non fluttui durante la durata del test.
Nei dispositivi a ultrasuoni Hielscher è possibile impostare un limite di energia. In questo caso, il dispositivo a ultrasuoni si arresta dopo aver erogato l'energia ultrasonica specificata. Il dispositivo Hielscher visualizza e registra parametri quali la potenza netta effettiva, l'ampiezza, la pressione e la temperatura del liquido. Le fluttuazioni di potenza o le variazioni intenzionali dei parametri saranno compensate quando si utilizza un limite di energia. È quindi possibile specificare il tasso di erosione da cavitazione risultante in mm/kWhr, mm3/kWhr o mg/kWhr.
Se si pesa il campione tra gli intervalli di erosione da cavitazione, è possibile generare una curva che mostra la perdita di peso marginale (tasso di perdita di peso in ogni intervallo di energia) rispetto all'energia cumulativa.
Per ottenere 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 di potenza netta molto precisi in tempo reale.

Pressione del liquido durante la sonicazione

Molti protocolli standard per le prove di erosione per cavitazione utilizzano la cavitazione a ultrasuoni 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 certo grado di erosione per cavitazione. Spesso il test di un singolo campione può durare da 15 a 120 minuti. Se si devono testare molti campioni, lavorare a pressioni più elevate può ridurre notevolmente il tempo per ogni test. Le prove a 5 barg (73psig) richiedono circa l'80% di tempo in meno per ogni prova.
Hielscher fornisce celle di prova a tenuta di pressione con un sensore di pressione digitale per i test di erosione per cavitazione. Utilizzando una cella a tenuta di pressione, è possibile controllare e mantenere la pressione durante ogni test. Il generatore di ultrasuoni monitora costantemente il sensore di pressione e protocolla 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.
Le celle di prova Hielscher a tenuta di pressione per le prove di erosione per cavitazione hanno una pressione nominale fino a 5barg (73psig). Su richiesta sono disponibili pressioni più elevate, fino a 300barg (4350psig).

frequenza ultrasonica

In generale, i test di erosione per cavitazione utilizzano ultrasuoni a bassa frequenza e alta intensità nell'intervallo 18-30 kHz. In questo intervallo, la variazione della frequenza ha un effetto molto limitato sull'intensità della cavitazione. Tutti i dispositivi Hielscher funzionano a frequenza costante.

Distanza dal Sonotrodo

Il materiale da testare può essere montato sul sonotrodo o sotto il sonotrodo. È possibile realizzare un campione di materiale filettato e montarlo all'estremità del sonotrodo a ultrasuoni. In questo caso, il campione vibra all'ampiezza ultrasonica specificata e produce cavitazione sulla sua superficie. Ciò richiede una lavorazione di precisione e non tutti i materiali sono adatti a questa opzione.
In alternativa, è possibile fissare una parte o un campione in prossimità di un sonotrodo in titanio. In questo caso, il sonotrodo in titanio produce la cavitazione e la superficie del materiale è esposta alla cavitazione. Questa è l'opzione più conveniente, in quanto è possibile inserire nella cella di prova campioni di varie dimensioni o forme. Se si utilizza un sonotrodo più grande, ad esempio di 50 o 80 mm di diametro, è possibile esporre più parti all'erosione da cavitazione contemporaneamente. Ciò è molto utile quando si devono testare molti pezzi 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 15 mm. Per ottenere risultati definitivi, è necessario utilizzare la stessa distanza per tutti i test.

temperatura del liquido

Un liquido più caldo comporta una minore intensità di cavitazione ultrasonica. L'immissione di energia meccanica di vibrazione nel liquido ne provoca il riscaldamento. Per mantenere una temperatura costante durante ogni test di cavitazione erosiva, 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 o mettere il becher in un bagno di ghiaccio. Un refrigerante che passa attraverso la camicia o la serpentina di raffreddamento rimuove il calore dal 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 protocolla in un file CSV compatibile con Excel su una scheda SD (inclusa). È possibile impostare il generatore in modo che sospenda il test di erosione per cavitazione se la temperatura del liquido si discosta 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 cavitante

In generale, i test di cavitazione erosiva utilizzano acqua, ad esempio acqua distillata. Liquidi diversi presentano caratteristiche di cavitazione diverse. Se l'acqua è corrosiva per il vostro materiale, potreste voler 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, o più abrasivo aggiungendo particelle abrasive. È possibile utilizzare i test di erosione per cavitazione 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

Quando si produce un pezzo o un campione, la lavorazione CNC, la rettifica o la lucidatura danneggiano la struttura dei grani vicino alla superficie del materiale. Ciò riduce la resistenza all'erosione.

Strati di passivazione/ossido

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

Quali sono le limitazioni dei test di erosione per cavitazione?

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