船舶用青銅コーティングの実践的なキャビテーション侵食試験

キャビテーション侵食試験は、管理された実験室での曝露を実際の工学的課題に結び付けるときに最も役立ちます。実践的な例として、船舶の舵やプロペラなどの船舶用部品に施す耐キャビテーション性青銅コーティングの評価があります。これらの部品は、局所的な圧力変動によって蒸気泡が発生し、その気泡が表面近傍で崩壊して、高強度の衝撃荷重が繰り返し作用し得る領域で使用されます。時間の経過とともに、これにより孔食、疲労損傷、コーティングの破損、材料損失が生じます。

青銅コーティングのキャビテーション侵食試験

Hauerらの研究では、コールドスプレー、ウォームスプレー、HVOF溶射、アーク溶射で作製した青銅コーティングを、鋳造ニッケルアルミニウム青銅および造船用鋼と比較しました。中心となる問いは単純でした。船舶での使用に十分な期間、キャビテーションへの曝露に耐えられる青銅表面を、どのコーティングプロセスで作製できるのか、というものです。この問いに答えるため、研究者らは、試験システムとしてHielscher UIP1000hdT超音波振動システムを含む振動装置を用い、ASTM G32-16に基づくキャビテーション侵食試験を実施しました。

試験条件の精密制御と自動データ記録

超音波処理装置UIP1000hdTは、キャビテーション侵食試験に用いられる周波数帯域で高強度の低周波超音波を供給するため、この種の試験に適しています。1000ワットの超音波処理装置を使用するキャビテーション侵食試験装置は20 kHzで動作し、精密なプロセス監視、振幅制御、温度測定、試験データの自動記録が可能です。キャビテーション強度は、振幅、液温、液圧、ソノトロードの形状、ソノトロードと試験片の距離に強く依存するため、これらの機能は重要です。

(a) 超音波処理装置UIP1000hdを用いたASTM G32-16に準拠するキャビテーション侵食試験（間接法）。すべての試験パラメータは公称値であり、許容差は規格に記載されています。
(b) 侵食量と時間の関係を示す曲線における各段階と、試験手順の特性パラメータの模式図。
図および研究：©Hauer et al., 2021.

青銅コーティングの超音波キャビテーション侵食試験

船舶用青銅コーティングの例では、ASTM G32の間接法の構成で試験を実施しました。この構成では、試験片を振動ホーンに取り付けません。代わりに、超音波ソノトロードが蒸留水中でキャビテーションを発生させ、コーティングを施した試験片を、所定の間隙を設けてソノトロードの下に固定します。Hauerらは、サンプルとソノトロードの距離を0.5 mm、周波数を20 kHz、ピーク間振幅を50 µmとしました。試験液には蒸留水を使用し、ほぼ室温の約25 °Cに保持しました。

試験片の前処理は重要な工程です。キャビテーションへの曝露前に、コーティング表面を段階的に研削・研磨し、仕上げには4 µm未満の微細なダイヤモンド研磨材を使用しました。これにより、付着の弱い粒子や表面の凹凸がすぐに脱落して侵食曲線を歪める影響を低減します。目的はコーティングの見栄えを良くすることではなく、再現可能な初期条件を整え、測定された質量損失が不十分な表面前処理ではなく耐キャビテーション性を反映するようにすることです。

超音波キャビテーション侵食試験の手順と結果

実際の試験手順は明快です。まず、各試験片を洗浄、乾燥し、精密天秤で秤量します。次に、超音波処理装置UIP1000hdTのソノトロードBS4d22の下にある試験セルに取り付け、0.5 mmの間隙を慎重かつ再現可能に設定します。超音波処理装置を所定の振幅と周波数で運転すると同時に、加熱によってキャビテーション強度が変化しないよう液温を制御します。所定の曝露時間が経過した後、試験片を取り外し、洗浄、乾燥し、再び秤量します。材料に応じて曝露時間を延ばしながらこの一連の操作を繰り返し、完全な侵食曲線を得ます。
直接測定される量は質量損失です。工学的な比較を行うため、この質量損失を材料密度を用いて体積損失に換算します。次に、体積損失を曝露表面積で割り、平均侵食深さを求めます。侵食深さ曲線から、研究者は最大侵食速度、終期侵食速度、平均侵食深さなどの侵食特性パラメータを算出できます。Hielscherはまた、選択したプロトコルに応じて、侵食を単位時間当たり、または供給された単位超音波エネルギー当たりの質量、体積、侵入深さとして報告できるとしています。

調整されたコーティング品質パラメータnに対する平均侵食深さ。粉末を焼鈍し、それによって粉末の強度を低下させることで、高いコーティング品質を達成できます。挿入図は、100minのキャビテーション試験後に生じた表面損傷を示しています。
グラフおよび研究：©Hauer et al., 2021.

Hauerの研究から得られた重要な知見の一つは、初期の侵食速度が誤解を招く場合があることです。熱的および運動学的な溶射・スプレー法によるコーティングでは、初期の材料損失が大きく、その後、より低く安定した侵食速度に移行することが多く見られました。このため、Hauerらは、長期的なコーティング性能をよりよく代表する指標として終期侵食速度を使用しました。120分間の比較では、安定化した挙動をより適切に捉えるため、主に試験後半の60分を超える区間から終期侵食速度を評価しました。

試験結果は、制御された振動式キャビテーション装置が有用である理由を示しています。鋳造ニッケルアルミニウム青銅の終期侵食速度は約0.40 µm/hでした。最適化したウォームスプレー青銅は0.57 µm/hとなり、鋳造材の基準値に近づきました。造船用鋼に施した最適化済みのアーク溶射コーティングは約1.02 µm/h、最適化済みのHVOFコーティングは約1.74 µm/hでした。これらのコーティングは、鋳造プロペラ用青銅に完全には匹敵しない場合でも、造船用鋼を大幅に上回りました。この研究では、アーク溶射およびHVOF溶射によるコーティングの耐キャビテーション性は、VL-A鋼に対してそれぞれ約26倍および16倍に達したと報告されています。

キャビテーション侵食試験の振動装置として超音波処理装置を使用

実用上の結論は、超音波処理装置UIP1000hdTを振動装置として使用するキャビテーション侵食試験が、材料の順位付け以上の役割を果たせるということです。この試験によって、コーティングプロセス、微細構造、酸化物含有量、気孔率、界面接合、後処理が実際の侵食挙動にどのように影響するかが明らかになります。Hauerらは、鋼製舵の表面を改善する際、HVOF溶射とアーク溶射は性能とコストの良好な妥協点を提供し得る一方、バルクのニッケルアルミニウム青銅に近い耐キャビテーション性が必要な場合は、コールドスプレーとウォームスプレーが好ましいと結論付けました。

研究室やコーティング開発者にとって、再現可能な結果を得る鍵は、ソノトロード振幅、周波数、ソノトロードとサンプルの距離、液温、液体の化学的性質、試験片の前処理、秤量間隔、侵食速度の算出という試験パラメータを厳密に制御することです。これらの条件を定めることで、Hielscher UIP1000hdTは、超音波キャビテーションを定量的なコーティング性能データに変換する、実用的で再現可能な方法を提供します。

キャビテーション侵食試験用ワークシートの記入例

 
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ASTM G32キャビテーション侵食試験装置構成

超音波処理装置UIP500hdT、UIP1000hdT、UIP15000hdT、UIP2000hdTは、ASTM G32試験に適しています。これらの各装置に、ソノトロード先端の機械的振幅に関する正確な 振幅測定プロトコル を添えて供給できます。これらのいずれの装置についても、ソノトロードBS4d22（直径22mm）およびスタンドST2と組み合わせて使用することを推奨します。

ASTM G32 -16用の交換可能な先端部を備えた15.9mmソノトロード

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文献 / 参考資料

• 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.