Praktische cavitatie-erosietests van maritieme bronzen coatings

Cavitatie-erosietests zijn het nuttigst wanneer ze een gecontroleerde blootstelling in het laboratorium koppelen aan een concreet technisch probleem. Een praktisch voorbeeld is de evaluatie van cavitatiebestendige bronzen coatings voor maritieme onderdelen zoals scheepsroeren en schroeven. Deze onderdelen functioneren in zones waar lokale drukschommelingen dampbellen kunnen genereren die vlakbij het oppervlak instorten, waardoor herhaaldelijk zeer intense impactbelastingen ontstaan. Na verloop van tijd leidt dit tot putcorrosie, vermoeidheidsschade, coatingafbraak en materiaalverlies.

Cavitatie-erosietest van bronzen coatings

In het onderzoek van Hauer et al. werden bronscoatings, vervaardigd door middel van koudspuiten, warmspuiten, HVOF-spuiten en boogspuiten, vergeleken met gegoten nikkel-aluminiumbrons en scheepsbouwstaal. De centrale vraag was eenvoudig: welk coatingproces kan een bronzen oppervlak opleveren dat lang genoeg bestand is tegen cavitatie om geschikt te zijn voor maritieme toepassingen? Om deze vraag te beantwoorden, maakten de onderzoekers gebruik van een cavitatie-erosietest volgens ASTM G32-16 met een trillingsapparaat, waaronder een Hielscher UIP1000hdT ultrasoon trillingssysteem als testsysteem.

Nauwkeurige regeling van de testomstandigheden en geautomatiseerde gegevensregistratie

De sonicator UIP1000hdT is bij uitstek geschikt voor dit soort tests, omdat hij hoogintensieve, laagfrequente ultrasone golven levert in het bereik dat wordt gebruikt voor cavitatie-erosietests. De opstelling voor de cavitatie-erosietest met de 1000-watt-sonicator werkt op 20 kHz en maakt nauwkeurige procesbewaking, amplituderegeling, temperatuurmeting en automatische registratie van testgegevens mogelijk. Deze functies zijn belangrijk omdat de cavitatie-intensiteit sterk afhankelijk is van de amplitude, de vloeistoftemperatuur, de vloeistofdruk, de geometrie van de sonotrode en de afstand tussen de sonotrode en het proefstuk.

(a) Cavitatie-erosietest volgens ASTM G32-16 met de sonicator UIP1000hd (indirecte methode). Alle testparameters zijn nominale waarden; de toleranties staan vermeld in de norm.
(b) Schematische fasen in de erosie-tijdcurve en karakteristieke parameters in de testprocedure.
Afbeeldingen en onderzoek: ©Hauer et al., 2021.

Ultrasone cavitatie-erosietest van bronzen coatings

Voor het voorbeeld van de maritieme bronscoating werd de test uitgevoerd volgens de indirecte ASTM G32-opstelling. In deze opstelling wordt het proefstuk niet aan de trillende hoorn bevestigd. In plaats daarvan wekt de ultrasone sonotrode cavitatie op in gedestilleerd water, en wordt het gecoate proefstuk op een vastgestelde afstand onder de sonotrode bevestigd. Hauer et al. gebruikten een afstand van 0,5 mm tussen het proefstuk en de sonotrode, een frequentie van 20 kHz en een piek-tot-piekamplitude van 50 µm. De testvloeistof was gedestilleerd water, dat op ongeveer kamertemperatuur, rond de 25 °C, werd gehouden.

De voorbereiding van de proefstukken is een cruciale stap. Vóór blootstelling aan cavitatie werden de gecoate oppervlakken stapsgewijs geslepen en gepolijst tot een fijne diamantschuurlaag van minder dan 4 µm. Dit vermindert de invloed van loszittende deeltjes of oneffenheden in het oppervlak die anders onmiddellijk zouden losraken en de erosiecurve zouden vertekenen. Het doel is niet om de coating er mooi uit te laten zien, maar om een reproduceerbare uitgangssituatie te creëren, zodat het gemeten massaverlies een weerspiegeling is van de cavitatieweerstand en niet van een slechte oppervlaktevoorbereiding.

De procedure voor het testen van erosie door ultrasone cavitatie en de resultaten daarvan

De praktische testprocedure is eenvoudig. Eerst wordt elk monster gereinigd, gedroogd en gewogen op een precisieweegschaal. Vervolgens wordt het in de testcel onder de sonotrode BS4d22 van de sonicator UIP1000hdT geplaatst, waarbij de afstand van 0,5 mm zorgvuldig en herhaalbaar wordt ingesteld. De sonicator wordt ingeschakeld op de vastgestelde amplitude en frequentie, terwijl de vloeistoftemperatuur wordt geregeld om te voorkomen dat opwarming de cavitatie-intensiteit beïnvloedt. Na een vastgestelde blootstellingsduur wordt het proefstuk verwijderd, gereinigd, gedroogd en opnieuw gewogen. Deze reeks wordt herhaald met steeds langere, materiaalafhankelijke blootstellingsduur totdat een volledige erosiecurve is verkregen.
De ruwe meting betreft het massaverlies. Voor technische vergelijkingen wordt dit massaverlies met behulp van de materiaaldichtheid omgerekend naar volumeverlies. Het volumeverlies wordt vervolgens gedeeld door het blootgestelde oppervlak om de gemiddelde erosiediepte te bepalen. Aan de hand van de erosiediepte-curve kan de onderzoeker karakteristieke erosieparameters berekenen, zoals de maximale erosiesnelheid, de eind-erosiesnelheid en de gemiddelde erosiediepte. Hielscher merkt ook op dat erosie kan worden gerapporteerd als massa, volume of penetratiediepte per tijdseenheid of per toegevoerde ultrasone energie, afhankelijk van het gekozen protocol.

Gemiddelde erosiedieptes als functie van aangepaste parameters voor de coatingkwaliteit n. Door het gloeien van het poeder en de daarmee gepaard gaande verminderde poedersterkte kunnen hoge coatingkwaliteiten worden bereikt. De inzetafbeeldingen tonen de oppervlakteschade die is ontstaan na een cavitatietestduur van 100 min.
Grafieken en onderzoek: ©Hauer et al., 2021.

Een belangrijke les uit het onderzoek van Hauer is dat vroege erosiesnelheden misleidend kunnen zijn. Bij thermisch en kinetisch gespoten coatings werd vaak een hoog aanvankelijk materiaalverlies waargenomen, gevolgd door een lagere, stabielere erosiesnelheid. Om deze reden gebruikten Hauer et al. de eind-erosiesnelheid als een meer representatieve indicator voor de prestaties van de coating op de lange termijn. In hun vergelijking van 120 minuten werd de eindslijtagevoet voornamelijk beoordeeld op basis van de tweede helft van de test, vanaf 60 minuten, om het gestabiliseerde gedrag beter in kaart te brengen.

Uit de testresultaten blijkt waarom een apparaat voor gecontroleerde trillingscavitatie zo waardevol is. Gegoten nikkel-aluminiumbrons bereikte een uiteindelijke erosiesnelheid van ongeveer 0,40 µm/h. Geoptimaliseerd, warmgespoten brons bereikte 0,57 µm/h, wat dicht bij de gegoten referentiewaarde ligt. Een geoptimaliseerde booggespoten coating op scheepsbouwstaal bereikte ongeveer 1,02 µm/h, terwijl een geoptimaliseerde HVOF-coating ongeveer 1,74 µm/h bereikte. Zelfs toen deze coatings niet volledig overeenkwamen met gegoten propellerbrons, presteerden ze aanzienlijk beter dan scheepsbouwstaal; uit het onderzoek blijkt dat booggespoten en HVOF-gespoten coatings respectievelijk ongeveer 26 keer en 16 keer een betere cavitatieweerstand bereikten dan VL-A-staal.

Gebruik een sonicator als trillingsapparaat voor uw cavitatie-erosietests

De praktische conclusie is dat cavitatie-erosietests met de UIP1000hdT-sonicator als trillingsapparaat meer kunnen doen dan alleen materialen rangschikken. Ze laten zien hoe het coatingproces, de microstructuur, het oxidegehalte, de porositeit, de hechting aan het grensvlak en de nabehandeling het daadwerkelijke erosiegedrag beïnvloeden. Hauer et al. concludeerden dat HVOF- en boogspuiten een goede balans tussen prestaties en kosten bieden voor het verbeteren van stalen roeroppervlakken, terwijl koud- en warmspuiten de voorkeur genieten wanneer een cavitatiebestendigheid vereist is die dicht bij die van massief nikkel-aluminiumbrons ligt.

Voor laboratoria en ontwikkelaars van coatings is strikte controle van de testparameters de sleutel tot reproduceerbare resultaten: de amplitude van de sonotrode, de frequentie, de afstand tussen de sonotrode en het monster, de temperatuur van de vloeistof, de chemische samenstelling van de vloeistof, de voorbereiding van het monster, de weegintervallen en de berekening van de erosiesnelheid. Zodra deze omstandigheden zijn vastgelegd, biedt de Hielscher UIP1000hdT een praktische en herhaalbare manier om ultrasone cavitatie om te zetten in kwantitatieve gegevens over de prestaties van de coating.

Voorbeeldwerkblad voor cavitatie-erosietests

 
Hier vind je instructies voor cavitatie-erosietests!

Opstelling voor de ASTM G32-test voor cavitatie-erosie

De ultrasone apparaten UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT en UIP2000hdT zijn geschikt voor ASTM G32-tests. Wij kunnen elk van deze apparaten leveren met een nauwkeurige protocol voor amplitudemeting van de mechanische amplitude aan de punt van de sonotrode. Wij raden aan om een van deze apparaten te gebruiken in combinatie met een sonotrode BS4d22 (diameter 22 mm) en een standaard ST2.

ASTM G32 -16 15,9 mm Sonotrode met vervangbare tip

Ontwerp, productie en advies – Kwaliteit Made in Germany

Hielscher ultrasone machines staan bekend om hun hoge kwaliteit en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening zorgen voor een soepele integratie van onze ultrasoonapparatuur in industriële faciliteiten. Ruwe omstandigheden en veeleisende omgevingen worden gemakkelijk door Hielscher ultrasoontoestellen aangepakt.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt speciale nadruk op hoogwaardige ultrasone apparaten met state-of-the-art technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard zijn de Hielscher ultrasoonapparaten CE-conform en voldoen ze aan de eisen van UL, CSA en RoHs.

Literatuur / Referenties