Jūras bronzas pārklājumu praktiskā kavitācijas erozijas testēšana

Kavitācijas erozijas testēšana ir visnoderīgākā tad, ja tā saista kontrolētu laboratorijas apstākļu iedarbību ar reālu inženiertehnisko problēmu. Praktisks piemērs ir kavitācijai izturīgu bronzas pārklājumu novērtēšana jūras transportlīdzekļu detaļām, piemēram, kuģu stūres ratiem un propelleriem. Šīs detaļas darbojas zonās, kur vietējās spiediena svārstības var radīt tvaika burbuļus, kas sabrūk tuvu virsmai, radot atkārtotas augstas intensitātes triecienu slodzes. Laika gaitā tas izraisa korozijas bedrītes, noguruma bojājumus, pārklājuma sabrukumu un materiāla zudumu.

Bronzas pārklājumu kavitācijas erozijas tests

Hauer u.c. pētījumā tika salīdzināti bronzas pārklājumi, kas izgatavoti, izmantojot aukstā izsmidzināšanu, siltā izsmidzināšanu, HVOF izsmidzināšanu un loka izsmidzināšanu, ar lietu niķeļa-alumīnija bronzu un kuģubūves tēraudu. Galvenais jautājums bija vienkāršs: kurš pārklājuma uzklāšanas process spēj radīt bronzas virsmu, kas iztur kavitācijas iedarbību pietiekami ilgi, lai to varētu izmantot jūras apstākļos? Lai atbildētu uz šo jautājumu, pētnieki izmantoja kavitācijas erozijas testu, kas balstījās uz standartu ASTM G32-16, izmantojot vibrācijas iekārtu, tostarp Hielscher UIP1000hdT ultraskaņas vibrācijas sistēmu kā testa sistēmu.

Precīza testa apstākļu kontrole un automatizēta datu reģistrēšana

Ultraskaņas ģenerators UIP1000hdT ir īpaši piemērots šāda veida testiem, jo tas raida augstas intensitātes zemas frekvences ultraskaņu diapazonā, ko izmanto kavitācijas erozijas testēšanai. Kavitācijas erozijas testa iekārta, kurā izmantots 1000 vatu ultraskaņas ģenerators, darbojas 20 kHz frekvencē un nodrošina precīzu procesa uzraudzību, amplitūdas kontroli, temperatūras mērīšanu un testa datu automātisku protokolēšanu. Šīs funkcijas ir svarīgas, jo kavitācijas intensitāte ir cieši atkarīga no amplitūdas, šķidruma temperatūras, šķidruma spiediena, sonotrodes ģeometrijas un attāluma starp sonotrodi un paraugu.

(a) Kavitācijas erozijas tests saskaņā ar standartu ASTM G32-16, izmantojot ultraskaņas iekārtu UIP1000hd (netiešā metode). Visi testa parametri ir nominālās vērtības; pielaides ir norādītas standartā.
(b) Erozijas–laika līknes shematiskās fāzes un testa procedūras raksturīgie parametri.
Attēli un pētījums: ©Hauer et al., 2021.

Bronzas pārklājumu ultraskaņas kavitācijas erozijas tests

Attiecībā uz jūras bronzas pārklājuma piemēru tests tika veikts saskaņā ar netiešo ASTM G32 shēmu. Šajā konfigurācijā paraugs netiek piestiprināts pie vibrējošā raga. Tā vietā ultraskaņas sonotrods rada kavitāciju destilētā ūdenī, un pārklātais paraugs tiek nostiprināts zem sonotroda noteiktā attālumā. Hauer un kolēģi izmantoja 0,5 mm attālumu starp paraugu un sonotrodu, 20 kHz frekvenci un amplitūdu no pīķa līdz pīķam 50 µm. Testēšanai izmantotais šķidrums bija destilēts ūdens, kura temperatūra tika uzturēta aptuveni istabas temperatūrā — ap 25 °C.

Parauga sagatavošana ir izšķirošs posms. Pirms kavitācijas iedarbības pārklātās virsmas tika pakāpeniski noslīpētas un pulētas, izmantojot smalku dimanta abrazīvu līdz biezumam zem 4 µm. Tas samazina vāji piestiprinātu daļiņu vai virsmas nelīdzenumu ietekmi, kas citādi varētu nekavējoties atdalīties un izkropļot erozijas līkni. Mērķis nav panākt, lai pārklājums izskatītos labi, bet gan radīt reproducējamas sākotnējās apstākļus, lai izmērītais masas zudums atspoguļotu kavitācijas izturību, nevis nepietiekamu virsmas sagatavošanu.

Ultraskaņas kavitācijas erozijas testēšanas procedūra un tās rezultāti

Praktiskā testa procedūra ir vienkārša. Pirmkārt, katrs paraugs tiek notīrīts, nožāvēts un nosvērts uz precīzijas svariem. Pēc tam tas tiek novietots testa kamerā zem ultraskaņas iekārtas UIP1000hdT sonotroda BS4d22, rūpīgi un atkārtojami iestatot 0,5 mm atstarpi. Ultraskaņas iekārta darbojas ar noteiktu amplitūdu un frekvenci, vienlaikus kontrolējot šķidruma temperatūru, lai novērstu kavitācijas intensitātes izmaiņas sakarā ar sasilšanu. Pēc noteiktā iedarbības laika paraugs tiek izņemts, notīrīts, nožāvēts un atkārtoti nosvērts. Šo secību atkārto, palielinot iedarbības laiku atkarībā no materiāla, līdz tiek iegūta pilnīga erozijas līkne.
Sākotnējais mērījums ir masas zudums. Inženierijas salīdzinājuma nolūkā šis masas zudums, izmantojot materiāla blīvumu, tiek pārrēķināts tilpuma zudumā. Pēc tam tilpuma zudumu dala ar pakļautās virsmas laukumu, lai noteiktu vidējo erozijas dziļumu. Pēc erozijas dziļuma līknes pētnieks var aprēķināt raksturīgos erozijas parametrus, piemēram, maksimālo erozijas ātrumu, galīgo erozijas ātrumu un vidējo erozijas dziļumu. Hielscher arī norāda, ka atkarībā no izvēlētā protokola eroziju var izteikt kā masas, tilpuma vai iespiešanās dziļuma zudumu laika vienībā vai uz pievadīto ultraskaņas enerģiju.

Vidējie erozijas dziļumi kā funkcija no koriģētajiem pārklājuma kvalitātes parametriem n. Pulveru atkaulošana un tādējādi samazināta pulvera izturība ļauj sasniegt augstu pārklājuma kvalitāti. Ieliktņos redzami virsmas bojājumi, kas radušies pēc 100 minūšu ilgām kavitācijas pārbaudēm.
Diagrammas un pētījums: ©Hauer et al., 2021.

Viena no svarīgākajām atziņām, kas gūta Hauer pētījumā, ir tā, ka sākotnējie erozijas rādītāji var būt maldinoši. Termiski un kinētiski uzsmidzinātiem pārklājumiem bieži tika novērots liels sākotnējais materiāla zudums, kam sekoja zemāks un stabilāks erozijas ātrums. Šā iemesla dēļ Hauer un kolēģi izmantoja galīgo erozijas ātrumu kā reprezentatīvāku ilgtermiņa pārklājuma veiktspējas rādītāju. Savā 120 minūšu ilgajā salīdzinājumā galīgo erozijas ātrumu novērtēja galvenokārt, ņemot vērā testa otro pusi (pēc 60 minūtēm), lai labāk atspoguļotu stabilizēto uzvedību.

Testa rezultāti liecina, kāpēc kontrolēta vibrācijas kavitācijas iekārta ir vērtīga. Lietajam niķeļa-alumīnija bronzas sakausējumam galīgais erozijas ātrums bija aptuveni 0,40 µm/h. Optimizētajam ar karstā izsmidzināšanas metodi uzklātajam bronzas pārklājumam tas sasniedza 0,57 µm/h, kas ir tuvu lietājam etalonam. Optimizēts ar loka uzsmidzināšanas metodi uzklāts pārklājums uz kuģubūves tērauda sasniedza aptuveni 1,02 µm/h, savukārt optimizēts HVOF pārklājums — aptuveni 1,74 µm/h. Pat ja šie pārklājumi pilnībā neatbilda lietajai propelleru bronzai, tie ievērojami pārspēja kuģu būvniecības tēraudu; pētījumā norādīts, ka ar loka un HVOF metodi uzklātie pārklājumi sasniedza attiecīgi apmēram 26 reizes un 16 reizes labāku kavitācijas izturību nekā VL-A tērauds.

Izmantojiet sonikatoru kā vibrācijas ierīci saviem kavitācijas erozijas testiem

Praktiskais secinājums ir tāds, ka kavitācijas erozijas testēšana, izmantojot ultraskaņas iekārtu UIP1000hdT kā vibrācijas aparātu, spēj ne tikai klasificēt materiālus. Tā atklāj, kā pārklājuma process, mikrostruktūra, oksīdu saturs, porainība, saskares virsmas saķere un pēcapstrāde ietekmē reālo erozijas uzvedību. Hauer un kolēģi secināja, ka HVOF un loka uzsmidzināšana var nodrošināt labu veiktspējas un izmaksu kompromisu tērauda stūres virsmu uzlabošanai, savukārt aukstā un siltā uzsmidzināšana ir vēlamāka gadījumos, kad nepieciešama kavitācijas izturība, kas tuvinās masīvā niķeļa-alumīnija bronzas izturībai.

Laboratorijām un pārklājumu izstrādātājiem atkārtojamu rezultātu panākšanas atslēga ir stingra testa parametru kontrole: sonotroda amplitūda, frekvence, attālums starp sonotrodu un paraugu, šķidruma temperatūra, šķidruma ķīmiskais sastāvs, parauga sagatavošana, svēršanas intervāli un erozijas ātruma aprēķins. Ja šie nosacījumi ir noteikti, Hielscher UIP1000hdT nodrošina praktisku un atkārtojamu veidu, kā ultraskaņas kavitāciju pārvērst kvantitatīvos pārklājuma veiktspējas datos.

Parauga darblapa kavitācijas erozijas testēšanai

 
Norādījumus par kavitācijas erozijas testiem varat atrast šeit!

ASTM G32 kavitācijas erozijas testa iekārta

Ultraskaņas iekārtas UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT un UIP2000hdT ir piemērotas ASTM G32 testēšanai. Mēs varam piegādāt katru no šīm iekārtām ar precīzu amplitūdas mērīšanas protokols mehāniskās amplitūdas pie sonotroda gala. Mēs iesakām izmantot jebkuru no šīm ierīcēm kopā ar sonotrodu BS4d22 (22 mm diametrs) un statīvu ST2.

ASTM G32 -16 15.9mm Sonotrode ar nomaināmu uzgali

Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Kvalitāte ražots Vācijā

Hielscher ultrasonikatori ir labi pazīstami ar saviem augstākajiem kvalitātes un dizaina standartiem. Robustums un viegla darbība ļauj vienmērīgi integrēt mūsu ultrasonikatorus rūpnieciskajās iekārtās. Hielscher ultrasonikatori viegli apstrādā neapstrādātus apstākļus un prasīgu vidi.

Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums un īpašu uzsvaru liek uz augstas veiktspējas ultrasonikatoriem, kas piedāvā vismodernākās tehnoloģijas un lietotājdraudzīgumu. Protams, Hielscher ultrasonikatori atbilst CE prasībām un atbilst UL, CSA un RoHs prasībām.

Literatūra / Atsauces