Cavitatie-erosietesten

Cavitatie-erosie treedt op aan materiaaloppervlakken die worden blootgesteld aan intense ultrasone cavitatie. Cavitatie-erosietesten zijn een snelle methode om de erosiebestendigheid van materialen of coatings tegen intense belasting en andere erosiefactoren te meten. Ze bieden een eenvoudige kwantitatieve meting voor kwaliteitscontrole en zijn nuttig bij materiaalonderzoek of de formulering van coatings.

Waarom cavitatie-erosietesten gebruiken?

Voortdurende erosie of corrosie kan regelmatige vervanging van onderdelen of vernieuwing van oppervlaktecoatings vereisen. Erosie van materiaaloppervlakken door mechanische of chemische invloeden is een langzaam proces dat leidt tot de geleidelijke vernietiging van materiaaloppervlakken. Daarom kan het beoordelen van de erosiebestendigheid van materialen of van het erosieve effect van vloeistoffen en slurries een zeer tijdrovend proces zijn.
Ultrasone cavitatie-erosietesten stellen het materiaaloppervlak bloot aan gecontroleerde, intense, herhaalde belastingscycli. Dit leidt in korte tijd tot aanzienlijke erosie van het materiaaloppervlak. U kunt de erosiebestendigheid snel meten voor regelmatige kwaliteitscontrole in de productie, voor de beoordeling van binnenkomende materialen of tijdens onderzoek en ontwikkeling.
Standaardtoepassingen omvatten metallurgische tests, tests van coatingformuleringen, tests van het aanbrengen van coatings of de beoordeling van erosieremmers in vloeistoffen.

Waarom veroorzaakt cavitatie oppervlakte-erosie?

Ultrasone apparaten, zoals de UP400St (400 watt, 24kHz) of de UIP1000hdT (1000 watt, 20kHz), koppelen ultrasone trillingen in vloeistoffen, zoals water. De snelle heen-en-weerbeweging van de trilling in de vloeistof doet cavitatiebellen ontstaan en imploderen. Wanneer de bellen imploderen, ontstaat plaatselijk een hoge mechanische belasting in de vloeistof en op blootgestelde materiaaloppervlakken. Vloeistofstralen tot 1000km/h en plaatselijke drukken tot 1000atm leiden tot snelle vermoeiing aan het materiaaloppervlak. Dit kan oxide- of passiveringslagen, coatings of aangroei verwijderen. Het kan putvorming veroorzaken in vaste materialen, zoals staal, titanium, aluminium, kunststof of glas. Cavitatie-erosietesten zijn dus een destructieve testmethode.

Hoe werken cavitatie-erosietesten?

Cavitatie-erosie van materiaaloppervlakken veroorzaakt geleidelijk materiaalverlies. U kunt het materiaalverlies eenvoudig meten door het materiaal op een precisieweegschaal te wegen vóór en na een vastgelegde blootstelling aan cavitatie-erosie. Een typische gewichtsverandering bij een cavitatie-erosietest ligt tussen 1 en 30mg. Voor verdere standaardisatie kunt u het volumeverlies berekenen door het gewichtsverlies te delen door de materiaaldichtheid. De gemiddelde indringdiepte (MDP) wordt berekend door het volumeverlies te delen door het oppervlak van het proefstuk. Als alternatief kunt u de diepte van de putvorming of het verplaatste volume meten. U kunt microscopische analyse gebruiken om aanvullende kwalitatieve informatie over het erosiepatroon te verkrijgen.
Wanneer u een ultrasoon apparaat van Hielscher voor cavitatie-erosietesten gebruikt, kunt u het temperatuurbereik en drukbereik waarin u wilt werken vooraf instellen. U kunt de sonicatieamplitude aanpassen. Alle parameters worden bewaakt, weergegeven en op een SD-kaart geregistreerd. U hoeft geen bedrijfseigen software te installeren. Desgewenst kunt u het ultrasone proces vanuit uw gebruikelijke webbrowser bedienen en bewaken als u het ultrasone apparaat via de ethernetkabel (meegeleverd) op uw computer aansluit.

Wat is de ASTM G32-standaardmethode voor cavitatie-erosie met een trilapparaat?

De ASTM G32-16-norm beschrijft een gestandaardiseerde methode voor cavitatie-erosie. Deze definieert een eenvoudige, controleerbare en reproduceerbare test om de bestendigheid tegen cavitatie-erosie van verschillende materialen te kwantificeren en te vergelijken. De specificaties van ATSM G32-16 zijn nuttig om uw resultaten te vergelijken met die van andere publicaties. Als u cavitatie-erosietesten in de kwaliteitscontrole wilt invoeren, raden wij aan het testprotocol voor cavitatie-erosie aan uw specifieke eisen aan te passen. Wij helpen u graag bij het opstellen van een testprotocol voor cavitatie-erosie op maat. Klik hier voor meer informatie over cavitatie-erosietesten volgens ASTM-G32!

Waarom zou ik een energielimiet gebruiken in plaats van een tijdslimiet?

Veel publicaties en erosietestprotocollen specificeren een blootstellingsduur voor cavitatie. Bij ultrasone apparaten van Hielscher kunt u een sonicatieduur vooraf instellen, waarna het systeem stopt zodra deze tijd is verstreken. U kunt vervolgens de resulterende snelheid van cavitatie-erosie berekenen in mm/hr of mm3/hr. Een tijdslimiet is alleen aanvaardbaar als u geen parameters verandert, zoals vloeistofniveau, amplitude, druk, temperatuur, vloeistofsamenstelling of de afstand tussen sonotrode en materiaaloppervlak. Als een van deze parameters verandert, veranderen ook het sonicatievermogen en de intensiteit van de cavitatie. Het is belangrijk dat het werkelijke nettovermogen dat aan de vloeistof wordt geleverd gedurende de test niet fluctueert.
Bij ultrasone apparaten van Hielscher kunt u een energielimiet instellen. In dat geval stopt het ultrasone apparaat nadat het de opgegeven ultrasone energie heeft geleverd. Het apparaat van Hielscher geeft parameters zoals het werkelijke nettovermogen, de amplitude, de druk en de vloeistoftemperatuur weer en registreert deze. Schommelingen in het vermogen of bewuste wijzigingen van parameters worden bij gebruik van een energielimiet gecompenseerd. U kunt vervolgens de resulterende snelheid van cavitatie-erosie opgeven in mm/kWhr, mm3/kWhr of mg/kWhr.
Als u het proefstuk tussen de intervallen van cavitatie-erosie weegt, kunt u een curve maken die het marginale gewichtsverlies (de snelheid van het gewichtsverlies in elk energie-interval) uitzet tegen de cumulatieve energie.
Voor nauwkeurigere resultaten kan het apparaat een automatische kalibratie uitvoeren (30 seconden). Hierbij wordt het vermogen bij alle amplitude-instellingen in lucht bij omgevingsdruk gemeten. Het apparaat van Hielscher gebruikt deze kalibratiegegevens om in realtime zeer nauwkeurige waarden voor het nettovermogen te leveren.

Vloeistofdruk tijdens sonicatie

Veel standaardprotocollen voor cavitatie-erosietesten gebruiken ultrasone cavitatie bij omgevingsdruk. De vloeistofdruk is de op een na belangrijkste factor voor de sonicatie-intensiteit. Een verhoging van de omgevingsdruk met 10% verhoogt de sonicatie-intensiteit met ongeveer 10%. Intensere cavitatie verkort de tijd die nodig is om een bepaalde mate van cavitatie-erosie te bereiken. Een test van één proefstuk kan vaak 15 tot 120 minuten duren. Als u veel proefstukken moet testen, kan werken bij hogere drukken de tijd voor elke test aanzienlijk verkorten. Tests bij 5 barg (73psig) vergen ongeveer 80% minder tijd per test.
Hielscher levert drukdichte testcellen met een digitale druksensor voor cavitatie-erosietesten. Met een drukdichte cel kunt u de druk tijdens elke test regelen en handhaven. De ultrasone generator bewaakt de druksensor voortdurend en registreert de werkelijke druk in een Excel-compatibel CSV-bestand op een SD-kaart (meegeleverd). Hielscher levert drukregelaars om de bedrijfsdruk in te stellen en te handhaven.
De drukdichte testcellen van Hielscher voor cavitatie-erosietesten zijn standaard geschikt voor maximaal 5barg (73psig). Hogere drukken tot 300barg (4350psig) zijn op aanvraag beschikbaar.

Ultrasone frequentie

Bij cavitatie-erosietesten wordt over het algemeen gebruikgemaakt van ultrasone trillingen met een lage frequentie en hoge intensiteit in het bereik van 18–30kHz. In dit bereik heeft variatie van de frequentie slechts een zeer beperkt effect op de cavitatie-intensiteit. Alle apparaten van Hielscher werken bij een constante frequentie.

Afstand tot de sonotrode

Het te testen materiaal kan aan de sonotrode of onder de sonotrode worden gemonteerd. U kunt een materiaalproefstuk met schroefdraad maken en dit aan het uiteinde van de ultrasone sonotrode monteren. In dat geval trilt het proefstuk met de opgegeven ultrasone amplitude en veroorzaakt het cavitatie op zijn oppervlak. Dit vereist precisiebewerking en niet alle materialen zijn geschikt voor deze optie.
Als alternatief kunt u een onderdeel of proefstuk op korte afstand onder een titaniumsonotrode vastzetten. In dat geval veroorzaakt de titaniumsonotrode de cavitatie en wordt het materiaaloppervlak aan de cavitatie blootgesteld. Dit is de praktischere optie, omdat u proefstukken van verschillende afmetingen of vormen in de testcel kunt plaatsen. Als u een grotere sonotrode gebruikt, zoals een sonotrode met een diameter van 50mm of 80mm, kunt u meerdere onderdelen tegelijk aan cavitatie-erosie blootstellen. Dit is zeer nuttig wanneer u veel onderdelen per dag moet testen, bijvoorbeeld voor kwaliteitscontrole.
In beide gevallen is de afstand tussen de ultrasone sonotrode en het aangrenzende materiaaloppervlak zeer belangrijk. Over het algemeen verloopt cavitatie-erosie sneller bij een kleinere afstand. Typische afstanden variëren van 0,2 tot 15mm. Voor overtuigende resultaten moet u voor alle tests dezelfde afstand gebruiken.

Vloeistoftemperatuur

Warmere vloeistof leidt tot een lagere intensiteit van ultrasone cavitatie. Het inbrengen van mechanische trillingsenergie in de vloeistof zorgt ervoor dat de vloeistof opwarmt. Om tijdens elke cavitatie-erosietest een constante temperatuur te handhaven, moet de vloeistof worden gekoeld. Hielscher levert dubbelwandige vaten en dubbelwandige drukdichte cellen. Als alternatief kunt u een koelspiraal in een bekerglas gebruiken of het bekerglas in een ijsbad plaatsen. Een koelmiddel dat door de mantel of door de koelspiraal stroomt, voert warmte uit de vloeistof af.
Ultrasone apparaten van Hielscher, zoals de UP400St of de UIP1000hdT, worden geleverd met een PT100-temperatuursonde (meegeleverd). De ultrasone generator bewaakt de werkelijke vloeistoftemperatuur continu en registreert de temperatuur in een Excel-compatibel CSV-bestand op een SD-kaart (meegeleverd). U kunt de generator zo instellen dat deze de cavitatie-erosietest pauzeert als de vloeistoftemperatuur te veel van uw instelwaarde afwijkt, bijvoorbeeld door onvoldoende koelcapaciteit. De generator kan de sonicatie automatisch hervatten wanneer de vloeistof de opgegeven temperatuur weer heeft bereikt.

Caviterende vloeistof

Bij cavitatie-erosietesten wordt over het algemeen water gebruikt, zoals gedestilleerd water. Verschillende vloeistoffen vertonen verschillende cavitatie-eigenschappen. Als water corrosief is voor uw materiaal, kunt u overwegen alternatieve vloeistoffen te testen, zoals siliconenoliën met een lage viscositeit of organische oplosmiddelen, om de corrosieve factor weg te nemen of te verminderen. Als alternatief kunt u de vloeistof corrosiever maken, bijvoorbeeld door de pH te veranderen, of abrasiever door abrasieve deeltjes toe te voegen. U kunt cavitatie-erosietesten gebruiken om de erosieve en corrosieve werking van vloeistoffen, zoals boorspoelingen, te beoordelen of om de effectiviteit van corrosie- of erosieremmers te beoordelen.

Verspanende bewerking

Wanneer u een onderdeel of een proefstuk vervaardigt, veroorzaken CNC-bewerking, slijpen of polijsten schade aan de korrelstructuur dicht bij het materiaaloppervlak. Dit vermindert de erosiebestendigheid.

Passiverings-/oxidelagen

Erosie en corrosie treden zeer vaak tegelijk op. Water, zoals gedestilleerd, gedemineraliseerd of gedeïoniseerd water, kan corrosief zijn voor veel materialen. Ultrasone cavitatie bevordert corrosie. Passiveringslagen, bijvoorbeeld op geanodiseerd aluminium, verhogen de bestendigheid van een materiaaloppervlak tegen erosie en corrosie.

Welke beperkingen hebben cavitatie-erosietesten?

Sommige elastomeren kunnen blootstelling aan zeer intense cavitatie vereisen om überhaupt cavitatie-erosie te vertonen. In dat geval heeft sonicatie zonder een onder druk staande cel mogelijk geen meetbaar effect.