Praktische cavitatie-erosietests van bronzen coatings voor maritieme toepassingen

Cavitatie-erosietests zijn het nuttigst wanneer ze een gecontroleerde blootstelling in het laboratorium verbinden met een concreet technisch probleem. Een praktisch voorbeeld is de beoordeling van cavitatiebestendige bronzen coatings voor maritieme componenten zoals scheepsroeren en scheepsschroeven. Deze onderdelen werken in zones waar lokale drukschommelingen dampbellen kunnen veroorzaken die dicht bij het oppervlak imploderen en daarbij herhaaldelijk zeer intense stootbelastingen veroorzaken. Na verloop van tijd leidt dit tot putvorming, vermoeiingsschade, falen van de coating en materiaalverlies.

Cavitatie-erosietest van bronzen coatings

In het onderzoek van Hauer et al. werden bronzen coatings die waren aangebracht door koudspuiten, warmspuiten, HVOF-spuiten en vlamboogspuiten vergeleken met gegoten nikkel-aluminiumbrons en scheepsbouwstaal. De centrale vraag was eenvoudig: welk coatingproces kan een bronzen oppervlak opleveren dat blootstelling aan cavitatie lang genoeg doorstaat voor maritiem gebruik? Om deze vraag te beantwoorden, gebruikten de onderzoekers een cavitatie-erosietest op basis van ASTM G32-16 met een trillingsapparaat, waaronder een ultrasoon trillingssysteem Hielscher UIP1000hdT als testsysteem.

Nauwkeurige regeling van testomstandigheden en geautomatiseerde gegevensregistratie

De sonicator UIP1000hdT is zeer geschikt voor dit type test, omdat hij ultrasoon geluid met een hoge intensiteit en een lage frequentie levert in het bereik dat voor cavitatie-erosietests wordt gebruikt. De testopstelling voor cavitatie-erosie met de sonicator van 1000 watt 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 afhangt 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 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.
Illustraties en onderzoek: ©Hauer et al., 2021.

Ultrasone cavitatie-erosietest van bronzen coatings

Voor het voorbeeld van de bronzen coating voor maritieme toepassingen werd de test uitgevoerd in de indirecte opstelling volgens ASTM G32. In deze configuratie is het proefstuk niet aan de trillende hoorn bevestigd. In plaats daarvan genereert de ultrasone sonotrode cavitatie in gedestilleerd water en wordt het gecoate proefstuk op een vastgelegde afstand onder de sonotrode bevestigd. Hauer et al. gebruikten een afstand van 0,5 mm tussen het monster 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 werd gehouden, rond 25 °C.

De voorbereiding van het proefstuk is een cruciale stap. Vóór blootstelling aan cavitatie werden de gecoate oppervlakken stapsgewijs geslepen en gepolijst, waarbij uiteindelijk een fijn diamantslijpmiddel van minder dan 4 µm werd gebruikt. Dit vermindert de invloed van los aangehechte deeltjes of onregelmatigheden in het oppervlak die anders onmiddellijk zouden kunnen loslaten en de erosiecurve zouden kunnen vertekenen. Het doel is niet om de coating er goed uit te laten zien, maar om een reproduceerbare uitgangstoestand te creëren, zodat het gemeten massaverlies de cavitatiebestendigheid weerspiegelt in plaats van een gebrekkige oppervlaktevoorbereiding.

De procedure van ultrasone cavitatie-erosietests en de resultaten ervan

De praktische testprocedure is eenvoudig. Eerst wordt elk proefstuk gereinigd, gedroogd en gewogen op een precisiebalans. Vervolgens wordt het in de testcel onder de sonotrode BS4d22 van de sonicator UIP1000hdT gemonteerd, waarbij de afstand van 0,5 mm zorgvuldig en reproduceerbaar wordt ingesteld. De sonicator werkt met de vastgelegde amplitude en frequentie, terwijl de vloeistoftemperatuur wordt geregeld om te voorkomen dat opwarming de cavitatie-intensiteit verandert. Na een vastgelegd blootstellingsinterval wordt het proefstuk verwijderd, gereinigd, gedroogd en opnieuw gewogen. Deze reeks wordt herhaald met steeds langere, materiaalafhankelijke blootstellingsintervallen totdat een volledige erosiecurve is verkregen.
De rechtstreeks gemeten grootheid is het massaverlies. Voor een technische vergelijking 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. Uit de erosiedieptecurve kan de onderzoeker karakteristieke erosieparameters berekenen, zoals de maximale erosiesnelheid, de terminale erosiesnelheid en de gemiddelde erosiediepte. Hielscher merkt ook op dat erosie, afhankelijk van het gekozen protocol, kan worden gerapporteerd als massa, volume of indringdiepte per tijdseenheid of per hoeveelheid toegevoerde ultrasone energie.

Gemiddelde erosiediepten als functie van de aangepaste coatingkwaliteitsparameters n. Door het poeder te gloeien en zo de poedersterkte te verminderen, kunnen hoge coatingkwaliteiten worden bereikt. De inzetafbeeldingen tonen de oppervlakteschade na een cavitatietestduur van 100min.
Grafieken en onderzoek: ©Hauer et al., 2021.

Een belangrijke les uit het onderzoek van Hauer is dat erosiesnelheden in de beginfase misleidend kunnen zijn. Thermisch en kinetisch gespoten coatings vertoonden vaak een hoog aanvankelijk materiaalverlies, gevolgd door een lagere, stabielere erosiesnelheid. Daarom gebruikten Hauer et al. de terminale erosiesnelheid als een representatievere indicator van de coatingprestaties op lange termijn. In hun vergelijking van 120 minuten werd de terminale erosiesnelheid voornamelijk beoordeeld op basis van de tweede helft van de test, na 60 minuten, om het gestabiliseerde gedrag beter vast te leggen.

De testresultaten laten zien waarom een gecontroleerd cavitatieapparaat op basis van trillingen waardevol is. Gegoten nikkel-aluminiumbrons bereikte een terminale erosiesnelheid van ongeveer 0,40 µm/h. Geoptimaliseerd warmgespoten brons bereikte 0,57 µm/h, dicht bij het gegoten referentiemateriaal. Een geoptimaliseerde vlambooggespoten coating op scheepsbouwstaal bereikte ongeveer 1,02 µm/h, terwijl een geoptimaliseerde HVOF-coating ongeveer 1,74 µm/h bereikte. Ook wanneer deze coatings niet volledig aan gegoten schroefbrons konden tippen, presteerden ze aanzienlijk beter dan scheepsbouwstaal; het onderzoek meldt dat vlambooggespoten en HVOF-gespoten coatings respectievelijk ongeveer 26 en 16 keer beter bestand waren tegen cavitatie dan VL-A-staal.

Gebruik een sonicator als trillingsapparaat voor uw cavitatie-erosietests

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

Voor laboratoria en coatingontwikkelaars ligt de sleutel tot reproduceerbare resultaten in een strikte regeling van de testparameters: de amplitude van de sonotrode, de frequentie, de afstand tussen sonotrode en monster, de vloeistoftemperatuur, de chemische eigenschappen van de vloeistof, de voorbereiding van het proefstuk, de weegintervallen en de berekening van de erosiesnelheid. Wanneer deze omstandigheden zijn vastgelegd, biedt de Hielscher UIP1000hdT een praktische en herhaalbare manier om ultrasone cavitatie om te zetten in kwantitatieve gegevens over coatingprestaties.

Voorbeeldwerkblad voor cavitatie-erosietests

 
Hier vindt u instructies voor cavitatie-erosietests!

Testopstelling voor cavitatie-erosie volgens ASTM G32

De sonicators UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT en UIP2000hdT zijn geschikt voor tests volgens ASTM G32. Wij kunnen elk van deze apparaten leveren met een nauwkeurig amplitudemeetprotocol voor de mechanische amplitude aan de tip van de sonotrode. Wij raden aan om een van deze apparaten te gebruiken met een sonotrode BS4d22 (22mm diameter) en een statief ST2.

ASTM G32 -16 sonotrode van 15,9mm met vervangbare tip

Ontwerp, productie en advies – kwaliteit uit Duitsland

De ultrasone apparaten van Hielscher staan bekend om hun hoogste kwaliteits- en ontwerpnormen. Dankzij hun robuustheid en eenvoudige bediening kunnen onze ultrasone apparaten soepel in industriële installaties worden geïntegreerd. De ultrasone apparaten van Hielscher zijn uitstekend bestand tegen zware omstandigheden en veeleisende omgevingen.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt bijzondere nadruk op ultrasone apparaten met hoge prestaties en met de modernste technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard voldoen de ultrasone apparaten van Hielscher aan de CE-eisen en aan de eisen van UL, CSA en RoHs.

Literatuur / Referenties

• 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.