선박용 청동 코팅의 실용적인 캐비테이션 침식 시험

캐비테이션 침식 시험은 제어된 실험실 노출 조건을 실제 공학적 문제와 연결할 때 가장 유용합니다. 실용적인 예로는 선박의 방향타와 프로펠러 같은 해양 부품에 사용되는 내캐비테이션 청동 코팅의 평가가 있습니다. 이러한 부품은 국부적인 압력 변동으로 증기 기포가 발생할 수 있는 영역에서 작동하며, 이 기포가 표면 근처에서 붕괴하면서 고강도 충격 하중이 반복적으로 가해집니다. 시간이 지나면서 이로 인해 공식, 피로 손상, 코팅 파손 및 재료 손실이 발생합니다.

청동 코팅의 캐비테이션 침식 시험

Hauer 등의 연구에서는 콜드 스프레이, 웜 스프레이, HVOF 용사 및 아크 용사로 제조한 청동 코팅을 주조 니켈 알루미늄 청동 및 조선용 강재와 비교했습니다. 핵심 질문은 간단했습니다. 어떤 코팅 공정으로 선박 운용에 필요한 기간 동안 캐비테이션 노출을 견디는 청동 표면을 만들 수 있을까요? 이에 답하기 위해 연구진은 Hielscher UIP1000hdT 초음파 진동 시스템을 시험 시스템으로 포함하는 진동 장치를 사용하여 ASTM G32-16에 기반한 캐비테이션 침식 시험을 수행했습니다.

시험 조건의 정밀 제어 및 자동 데이터 기록

초음파 처리기 UIP1000hdT는 캐비테이션 침식 시험에 사용되는 주파수 범위의 고강도 저주파 초음파를 제공하므로 이러한 유형의 시험에 적합합니다. 1000와트 초음파 처리기를 사용하는 캐비테이션 침식 시험 장치는 20 kHz에서 작동하며, 정밀한 공정 모니터링, 진폭 제어, 온도 측정 및 시험 데이터 자동 기록이 가능합니다. 캐비테이션 강도는 진폭, 액체 온도, 액체 압력, 소노트로드 형상 및 소노트로드와 시험편 사이의 거리에 크게 좌우되므로 이러한 기능이 중요합니다.

(a) 초음파 처리기 UIP1000hd를 사용한 ASTM G32-16에 따른 캐비테이션 침식 시험(간접법). 모든 시험 매개변수는 공칭값이며, 허용 오차는 해당 표준에 명시되어 있습니다.
(b) 침식–시간 곡선의 단계를 나타낸 모식도와 시험 절차의 특성 매개변수.
도해 및 연구: ©Hauer et al., 2021.

청동 코팅의 초음파 캐비테이션 침식 시험

선박용 청동 코팅 사례에서는 ASTM G32의 간접 시험 구성으로 시험을 수행했습니다. 이 구성에서는 시험편을 진동하는 혼에 부착하지 않습니다. 대신 초음파 소노트로드가 증류수에서 캐비테이션을 발생시키며, 코팅된 시험편은 소노트로드 아래에 정해진 간격을 두고 고정됩니다. Hauer 등은 시료와 소노트로드 사이의 거리를 0.5 mm, 주파수를 20 kHz, 피크 대 피크 진폭을 50 µm로 설정했습니다. 시험 액체로는 증류수를 사용했으며, 대략 실온인 약 25 °C로 유지했습니다.

시험편 준비는 매우 중요한 단계입니다. 캐비테이션에 노출하기 전에 코팅 표면을 단계적으로 연삭하고, 최종적으로 4 µm 미만의 미세한 다이아몬드 연마제를 사용하여 연마했습니다. 이렇게 하면 느슨하게 부착된 입자나 표면 불규칙부가 즉시 탈락하여 침식 곡선을 왜곡할 수 있는 영향을 줄일 수 있습니다. 목적은 코팅의 외관을 좋게 만드는 것이 아니라, 측정된 질량 손실이 부실한 표면 준비가 아닌 캐비테이션 저항성을 반영하도록 재현 가능한 초기 조건을 만드는 것입니다.

초음파 캐비테이션 침식 시험의 절차와 결과

실제 시험 절차는 간단합니다. 먼저 각 시험편을 세척하고 건조한 후 정밀 저울로 질량을 측정합니다. 그런 다음 초음파 처리기 UIP1000hdT의 소노트로드 BS4d22 아래에 있는 시험 셀에 시험편을 장착하고, 0.5 mm 간격을 세심하게 반복적으로 동일하게 설정합니다. 초음파 처리기를 정해진 진폭과 주파수로 작동시키는 동안 액체 온도를 제어하여 가열로 인해 캐비테이션 강도가 변하지 않도록 합니다. 정해진 노출 시간이 지나면 시험편을 꺼내 세척하고 건조한 후 질량을 다시 측정합니다. 완전한 침식 곡선을 얻을 때까지 재료에 따라 노출 시간을 늘려 가며 이 과정을 반복합니다.
직접 측정하는 값은 질량 손실입니다. 공학적 비교를 위해 재료의 밀도를 이용하여 이 질량 손실을 체적 손실로 환산합니다. 그런 다음 체적 손실을 노출된 표면적으로 나누어 평균 침식 깊이를 구합니다. 연구자는 침식 깊이 곡선에서 최대 침식률, 최종 침식률, 평균 침식 깊이와 같은 특징적인 침식 매개변수를 계산할 수 있습니다. Hielscher는 선택한 시험 절차에 따라 침식을 단위 시간당 또는 전달된 초음파 에너지당 질량, 체적 또는 침투 깊이로 보고할 수도 있다고 설명합니다.

조정된 코팅 품질 매개변수 n에 따른 평균 침식 깊이. 분말을 소둔하여 분말 강도를 낮추면 높은 코팅 품질을 달성할 수 있습니다. 삽입 그림은 100min의 캐비테이션 시험 후 발생한 표면 손상을 보여 줍니다.
그래프 및 연구: ©Hauer et al., 2021.

Hauer 연구에서 얻은 중요한 교훈 중 하나는 초기 침식률이 오해를 불러일으킬 수 있다는 점입니다. 열에너지 및 운동에너지를 이용해 용사한 코팅은 초기에 높은 재료 손실을 보인 후 더 낮고 안정적인 침식률을 보이는 경우가 많았습니다. 이러한 이유로 Hauer 등은 장기적인 코팅 성능을 더 잘 나타내는 지표로 최종 침식률을 사용했습니다. 120분 동안 수행한 비교에서는 안정화된 거동을 더 잘 파악하기 위해 주로 시험 후반부인 60분이 지난 시점부터의 데이터를 바탕으로 최종 침식률을 평가했습니다.

시험 결과는 제어된 진동식 캐비테이션 장치가 유용한 이유를 보여 줍니다. 주조 니켈 알루미늄 청동의 최종 침식률은 약 0.40 µm/h였습니다. 최적화된 온간 용사 청동은 주조 기준 재료에 근접한 0.57 µm/h에 도달했습니다. 조선용 강재에 적용한 최적화된 아크 용사 코팅은 약 1.02 µm/h에 도달했으며, 최적화된 HVOF 코팅은 약 1.74 µm/h에 도달했습니다. 이러한 코팅은 주조 프로펠러용 청동의 성능에 완전히 미치지는 못했지만 조선용 강재보다 훨씬 우수한 성능을 보였습니다. 이 연구에 따르면 아크 용사 코팅과 HVOF 용사 코팅은 VL-A 강재보다 각각 약 26배와 16배 더 우수한 캐비테이션 저항성을 달성했습니다.

캐비테이션 침식 시험의 진동 장치로 초음파 처리기를 사용하세요

실용적인 결론은 UIP1000hdT 초음파 처리기를 진동 장치로 사용하는 캐비테이션 침식 시험이 재료의 순위를 매기는 것 이상의 역할을 할 수 있다는 것입니다. 이 시험은 코팅 공정, 미세구조, 산화물 함량, 기공률, 계면 결합 및 후처리가 실제 침식 거동에 어떤 영향을 미치는지 밝혀 줍니다. Hauer 등은 강재 방향타 표면을 개선하는 데 HVOF 용사와 아크 용사가 성능과 비용 사이에서 유리한 절충안을 제공할 수 있으며, 벌크 니켈 알루미늄 청동에 근접한 캐비테이션 저항성이 필요한 경우에는 냉간 용사와 온간 용사가 선호된다고 결론지었습니다.

시험실과 코팅 개발자가 재현성 있는 결과를 얻기 위한 핵심은 소노트로드 진폭, 주파수, 소노트로드와 시료 사이의 거리, 액체 온도, 액체의 화학적 특성, 시험편 준비, 질량 측정 간격 및 침식률 계산 등 시험 매개변수를 엄격하게 제어하는 것입니다. 이러한 조건을 명확히 설정하면 Hielscher UIP1000hdT는 초음파 캐비테이션을 정량적인 코팅 성능 데이터로 전환하는 실용적이고 반복 가능한 방법을 제공합니다.

캐비테이션 침식 시험용 작업 기록지 예시

 
캐비테이션 침식 시험 지침은 여기에서 확인할 수 있습니다!

ASTM G32 캐비테이션 침식 시험 구성

초음파 처리기 UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT 및 UIP2000hdT는 ASTM G32 시험에 적합합니다. 각 장치에 대해 소노트로드 팁의 기계적 진폭에 관한 정확한 진폭 측정 프로토콜을 함께 제공할 수 있습니다. 이들 장치 중 어느 것을 사용하든 소노트로드 BS4d22(직경 22mm) 및 스탠드 ST2와 함께 사용할 것을 권장합니다.

ASTM G32 -16 교체형 팁이 장착된 15.9mm 소노트로드

설계, 제조 및 컨설팅 – 독일에서 만든 품질

Hielscher 초음파 처리기는 최고 수준의 품질 및 설계 기준으로 잘 알려져 있습니다. 견고함과 간편한 조작 덕분에 당사의 초음파 처리기를 산업 시설에 원활하게 통합할 수 있습니다. Hielscher 초음파 처리기는 가혹한 조건과 까다로운 환경에서도 손쉽게 작동합니다.

Hielscher Ultrasonics는 ISO 인증 기업으로, 최첨단 기술과 사용자 편의성을 갖춘 고성능 초음파 처리기에 특히 중점을 둡니다. 물론 Hielscher 초음파 처리기는 CE 규정을 준수하며 UL, CSA 및 RoHs의 요구 사항을 충족합니다.

문헌 / 참고 문헌

• 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.