Kuģu bronzas pārklājumu praktiskā kavitācijas erozijas testēšana

Kavitācijas erozijas testēšana ir visnoderīgākā, ja tā sasaista kontrolētu iedarbību laboratorijā ar reālu inženiertehnisku problēmu. Praktisks piemērs ir pret kavitāciju izturīgu bronzas pārklājumu novērtēšana kuģu detaļām, piemēram, stūrēm un dzenskrūvēm. Šīs detaļas darbojas zonās, kur lokālas spiediena svārstības var radīt tvaika burbuļus, kas sabrūk virsmas tuvumā, izraisot atkārtotas augstas intensitātes triecienslodzes. Laika gaitā tas izraisa bedrīšu veidošanos, noguruma bojājumus, pārklājuma sabrukšanu un materiāla zudumu.

Bronzas pārklājumu kavitācijas erozijas tests

Hauer et al. pētījumā bronzas pārklājumi, kas iegūti ar auksto smidzināšanu, silto smidzināšanu, HVOF smidzināšanu un elektriskā loka smidzināšanu, tika salīdzināti ar lietu niķeļa–alumīnija bronzu un kuģubūves tēraudu. Galvenais jautājums bija vienkāršs: ar kuru pārklājuma uzklāšanas procesu var iegūt bronzas virsmu, kas pietiekami ilgi iztur kavitācijas iedarbību, lai būtu piemērota ekspluatācijai kuģniecībā? Lai uz to atbildētu, pētnieki izmantoja kavitācijas erozijas testu, kura pamatā ir ASTM G32-16, ar vibrācijas aparātu, tostarp Hielscher UIP1000hdT ultraskaņas vibrācijas sistēmu kā testēšanas sistēmu.

Precīza testa apstākļu kontrole un automatizēta datu reģistrēšana

Ultraskaņas apstrādes ierīce UIP1000hdT ir labi piemērota šāda veida testam, jo tā nodrošina augstas intensitātes zemfrekvences ultraskaņu kavitācijas erozijas testēšanā izmantotajā diapazonā. Kavitācijas erozijas testēšanas iekārta ar 1000 vatu ultraskaņas apstrādes ierīci darbojas ar 20 kHz frekvenci un ļauj precīzi uzraudzīt procesu, kontrolēt amplitūdu, mērīt temperatūru un automātiski protokolēt testa datus. Šīs funkcijas ir svarīgas, jo kavitācijas intensitāte ir ļoti atkarīga no amplitūdas, šķidruma temperatūras, šķidruma spiediena, sonotrodes ģeometrijas un attāluma starp sonotrodi un paraugu.

(a) Kavitācijas erozijas tests saskaņā ar ASTM G32-16, izmantojot ultraskaņas apstrādes ierīci UIP1000hd (netiešā metode). Visi testa parametri ir nominālās vērtības; pielaides ir norādītas standartā.
(b) Erozijas un laika līknes fāžu un testa procedūras raksturīgo parametru shematisks attēlojums.
Grafiskie materiāli un pētījums: ©Hauer et al., 2021.

Bronzas pārklājumu ultraskaņas kavitācijas erozijas tests

Kuģu bronzas pārklājumu piemērā tests tika veikts netiešā konfigurācijā atbilstoši ASTM G32. Šajā konfigurācijā paraugs nav piestiprināts pie vibrējošā koncentratora. Tā vietā ultraskaņas sonotrode rada kavitāciju destilētā ūdenī, un pārklātais paraugs ir nostiprināts zem sonotrodes ar noteiktu atstarpi. Hauer et al. izmantoja 0,5 mm attālumu starp paraugu un sonotrodi, 20 kHz frekvenci un 50 µm pilno svārstību amplitūdu. Testa šķidrums bija destilēts ūdens, kura temperatūra tika uzturēta aptuveni istabas temperatūrā, ap 25 °C.

Paraugu sagatavošana ir izšķirošs posms. Pirms kavitācijas iedarbības pārklātās virsmas tika pakāpeniski slīpētas un pulētas, noslēgumā izmantojot smalku dimanta abrazīvu ar graudu izmēru zem 4 µm. Tas samazina vāji piestiprinātu daļiņu vai virsmas nelīdzenumu ietekmi, kas citādi varētu uzreiz atdalīties un izkropļot erozijas līkni. Mērķis nav uzlabot pārklājuma izskatu, bet gan radīt reproducējamu sākotnējo stāvokli, lai izmērītais masas zudums atspoguļotu izturību pret kavitāciju, nevis nekvalitatīvu virsmas sagatavošanu.

Ultraskaņas kavitācijas erozijas testēšanas procedūra un tās rezultāti

Praktiskā testēšanas procedūra ir vienkārša. Vispirms katru paraugu notīra, izžāvē un nosver ar precīzijas svariem. Pēc tam to nostiprina testēšanas šūnā zem ultraskaņas apstrādes ierīces UIP1000hdT sonotrodes BS4d22, rūpīgi un atkārtojami iestatot 0,5 mm atstarpi. Ultraskaņas apstrādes ierīce darbojas ar noteikto amplitūdu un frekvenci, savukārt šķidruma temperatūru kontrolē, lai nepieļautu, ka uzsilšana maina kavitācijas intensitāti. Pēc noteikta iedarbības intervāla paraugu izņem, notīra, izžāvē un atkārtoti nosver. Šo darbību secību atkārto, pakāpeniski palielinot no materiāla atkarīgos iedarbības intervālus, līdz iegūst pilnīgu erozijas līkni.
Tieši izmērītais lielums ir masas zudums. Inženiertehniskai salīdzināšanai šo masas zudumu pārrēķina tilpuma zudumā, izmantojot materiāla blīvumu. Pēc tam tilpuma zudumu dala ar iedarbībai pakļautās virsmas laukumu, lai noteiktu vidējo erozijas dziļumu. No erozijas dziļuma līknes pētnieks var aprēķināt raksturīgos erozijas parametrus, piemēram, maksimālo erozijas ātrumu, beigu erozijas ātrumu un vidējo erozijas dziļumu. Hielscher arī norāda, ka atkarībā no izvēlētā protokola eroziju var izteikt kā masas, tilpuma vai iespiešanās dziļuma izmaiņas uz laika vienību vai pievadītās ultraskaņas enerģijas vienību.

Vidējais erozijas dziļums atkarībā no pielāgotajiem pārklājuma kvalitātes parametriem n. Pulvera atkvēlināšana un līdz ar to samazināta pulvera stiprība ļauj sasniegt augstu pārklājumu kvalitāti. Ielaidumos parādīti virsmas bojājumi pēc 100min ilgas kavitācijas testēšanas.
Grafiki un pētījums: ©Hauer et al., 2021.

Viena svarīga Hauer pētījuma atziņa ir tāda, ka sākotnējie erozijas ātrumi var būt maldinoši. Ar termisko un kinētisko uzsmidzināšanu iegūtiem pārklājumiem bieži novēroja lielu sākotnējo materiāla zudumu, kam sekoja mazāks un stabilāks erozijas ātrums. Šā iemesla dēļ Hauer et al. izmantoja beigu erozijas ātrumu kā reprezentatīvāku pārklājuma ilgtermiņa veiktspējas rādītāju. Veicot 120 minūšu salīdzinājumu, beigu erozijas ātrumu novērtēja galvenokārt pēc testa otrās puses datiem, pēc 60 minūtēm, lai labāk raksturotu stabilizējušos uzvedību.

Testa rezultāti parāda, kāpēc kontrolējama vibrācijas kavitācijas aparatūra ir vērtīga. Lietai niķeļa alumīnija bronzai beigu erozijas ātrums bija aptuveni 0,40 µm/h. Optimizētai ar silto uzsmidzināšanu iegūtai bronzai tas sasniedza 0,57 µm/h, kas ir tuvu lietā etalonmateriāla vērtībai. Optimizētam ar loka uzsmidzināšanu iegūtam pārklājumam uz kuģubūves tērauda tas sasniedza aptuveni 1,02 µm/h, savukārt optimizētam HVOF pārklājumam tas sasniedza aptuveni 1,74 µm/h. Pat tad, ja šie pārklājumi pilnībā nesasniedza lietas dzenskrūvju bronzas rādītājus, tie ievērojami pārspēja kuģubūves tēraudu; pētījumā ziņots, ka ar loka uzsmidzināšanu un HVOF uzsmidzināšanu iegūtie pārklājumi nodrošināja attiecīgi aptuveni 26 un 16 reizes labāku kavitācijas izturību nekā VL-A tērauds.

Izmantojiet ultraskaņas apstrādes ierīci kā vibrācijas aparatūru saviem kavitācijas erozijas testiem

Praktiskais secinājums ir tāds, ka kavitācijas erozijas testēšana, izmantojot ultraskaņas apstrādes ierīci UIP1000hdT kā vibrācijas aparatūru, ļauj ne tikai sarindot materiālus. Tā atklāj, kā pārklājuma veidošanas process, mikrostruktūra, oksīdu saturs, porainība, saķere saskarnē un pēcapstrāde ietekmē faktisko erozijas norisi. Hauer et al. secināja, ka HVOF un loka uzsmidzināšana var piedāvāt izdevīgu kompromisu starp veiktspēju un izmaksām tērauda stūru virsmu uzlabošanai, savukārt aukstā un siltā uzsmidzināšana ir vēlamas, ja nepieciešama kavitācijas izturība, kas ir tuva monolītas niķeļa alumīnija bronzas izturībai.

Laboratorijām un pārklājumu izstrādātājiem atkārtojamu rezultātu pamatā ir stingra testēšanas parametru kontrole: sonotrodes amplitūda, frekvence, attālums starp sonotrodi un paraugu, šķidruma temperatūra, šķidruma ķīmiskais sastāvs, parauga sagatavošana, svēršanas intervāli un erozijas ātruma aprēķins. Ja šie apstākļi ir noteikti, Hielscher UIP1000hdT nodrošina praktisku un atkārtojamu veidu, kā ultraskaņas kavitāciju pārvērst kvantitatīvos datos par pārklājuma veiktspēju.

Darba lapas paraugs kavitācijas erozijas testēšanai

 
Norādījumus kavitācijas erozijas testu veikšanai varat atrast šeit!

ASTM G32 kavitācijas erozijas testēšanas iekārta

Sonikatori UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT un UIP2000hdT ir piemēroti testēšanai saskaņā ar ASTM G32. Katru no šīm iekārtām varam piegādāt ar precīzu amplitūdas mērījumu protokolu par mehānisko amplitūdu sonotrodes galā. Iesakām jebkuru no šīm ierīcēm izmantot ar sonotrodi BS4d22 (diametrs 22mm) un statīvu ST2.

ASTM G32 -16 15,9mm sonotrode ar nomaināmu uzgali

Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Vācijā radīta kvalitāte

Hielscher ultraskaņas iekārtas ir labi pazīstamas ar visaugstākajiem kvalitātes un konstrukcijas standartiem. Izturība un vienkārša lietošana ļauj mūsu ultraskaņas iekārtas viegli integrēt rūpnieciskajās ražotnēs. Hielscher ultraskaņas iekārtas viegli tiek galā ar skarbiem apstākļiem un prasīgu darba vidi.

Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums, kas īpašu uzmanību pievērš augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtām ar vismodernākajām tehnoloģijām un lietotājam ērtu darbību. Protams, Hielscher ultraskaņas iekārtas atbilst CE prasībām un izpilda UL, CSA un RoHs prasības.

Literatūra / Atsauces

• 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.