Praktyczne badania erozji kawitacyjnej powłok z brązu morskiego

Badania erozji kawitacyjnej są najbardziej przydatne, gdy łączą kontrolowaną ekspozycję laboratoryjną z rzeczywistym problemem inżynieryjnym. Praktycznym przykładem jest ocena powłok z brązu odpornych na kawitację, stosowanych w elementach okrętowych, takich jak stery i śruby napędowe. Części te pracują w obszarach, w których lokalne wahania ciśnienia mogą powodować powstawanie pęcherzyków pary, które pękają w pobliżu powierzchni, wywołując powtarzające się obciążenia udarowe o dużej intensywności. Z czasem prowadzi to do powstawania wżerów, uszkodzeń zmęczeniowych, uszkodzeń powłoki i utraty materiału.

Badanie erozji kawitacyjnej powłok z brązu

W badaniu przeprowadzonym przez Hauera i in. porównano powłoki z brązu uzyskane metodami natryskiwania na zimno, natryskiwania na ciepło, natryskiwania metodą HVOF oraz natryskiwania łukowego z odlewanym brązem niklowo-aluminiowym i stalą okrętową. Główne pytanie było proste: która metoda nakładania powłoki pozwala uzyskać powierzchnię z brązu, która wytrzyma oddziaływanie kawitacji wystarczająco długo, by sprostać wymaganiom eksploatacji morskiej? Aby odpowiedzieć na to pytanie, naukowcy przeprowadzili test erozji kawitacyjnej zgodnie z normą ASTM G32-16 z wykorzystaniem urządzenia wibracyjnego, w tym ultradźwiękowego systemu wibracyjnego Hielscher UIP1000hdT jako układu testowego.

Precyzyjna kontrola warunków testowych i automatyczna rejestracja danych

Sonikator UIP1000hdT doskonale nadaje się do tego rodzaju badań, ponieważ generuje ultradźwięki o wysokiej intensywności i niskiej częstotliwości w zakresie stosowanym do badań erozji kawitacyjnej. Układ do badań erozji kawitacyjnej wykorzystujący sonikator o mocy 1000 W działa z częstotliwością 20 kHz i umożliwia precyzyjne monitorowanie procesu, kontrolę amplitudy, pomiar temperatury oraz automatyczne protokołowanie danych z badań. Funkcje te są istotne, ponieważ intensywność kawitacji zależy w dużym stopniu od amplitudy, temperatury cieczy, ciśnienia cieczy, geometrii sonotrody oraz odległości między sonotrodą a próbką.

(a) Badanie erozji kawitacyjnej zgodnie z normą ASTM G32-16 z wykorzystaniem ultradźwiękowego urządzenia kawitacyjnego UIP1000hd (metoda pośrednia). Wszystkie parametry badawcze są wartościami nominalnymi; tolerancje podano w normie.
(b) Schematyczne fazy na krzywej erozji w funkcji czasu oraz parametry charakterystyczne dla procedury badawczej.
Grafiki i badanie: ©Hauer i in., 2021.

Badanie erozji kawitacyjnej ultradźwiękowej powłok z brązu

W przypadku powłoki z brązu morskiego badanie przeprowadzono w układzie pośrednim zgodnym z normą ASTM G32. W tej konfiguracji próbka nie jest przymocowana do wibrującej tuby. Zamiast tego sonotroda ultradźwiękowa wywołuje kawitację w wodzie destylowanej, a pokryta powłoką próbka jest zamocowana pod sonotrodą w określonej odległości. Hauer i in. zastosowali odległość 0,5 mm między próbką a sonotrodą, częstotliwość 20 kHz oraz amplitudę szczyt-szczyt wynoszącą 50 µm. Cieczą testową była woda destylowana utrzymywana w temperaturze zbliżonej do temperatury pokojowej, wynoszącej około 25 °C.

Przygotowanie próbek stanowi kluczowy etap. Przed poddaniem działaniu kawitacji powlekane powierzchnie były stopniowo szlifowane i polerowane przy użyciu drobnego ścierniwa diamentowego o ziarnistości poniżej 4 µm. Pozwala to ograniczyć wpływ luźno przylegających cząstek lub nierówności powierzchni, które w przeciwnym razie mogłyby się natychmiast odłączyć i zafałszować krzywą erozji. Celem nie jest nadanie powłoce estetycznego wyglądu, lecz stworzenie powtarzalnych warunków początkowych, tak aby zmierzona utrata masy odzwierciedlała odporność na kawitację, a nie nieodpowiednie przygotowanie powierzchni.

Procedura badania erozji kawitacyjnej metodą ultradźwiękową oraz jej wyniki

Procedura badania praktycznego jest prosta. Najpierw każdą próbkę oczyszcza się, suszy i waży na wadze precyzyjnej. Następnie umieszcza się ją w komorze badawczej pod sonotrodą BS4d22 sonikatora UIP1000hdT, starannie i powtarzalnie ustawiając szczelinę o szerokości 0,5 mm. Urządzenie ultradźwiękowe pracuje z określoną amplitudą i częstotliwością, a temperatura cieczy jest kontrolowana, aby zapobiec zmianie intensywności kawitacji spowodowanej nagrzewaniem. Po upływie określonego czasu ekspozycji próbka jest wyjmowana, czyszczona, suszona i ponownie ważona. Sekwencję tę powtarza się przy coraz dłuższych, zależnych od materiału czasach ekspozycji, aż do uzyskania pełnej krzywej erozji.
Surowym pomiarem jest utrata masy. Na potrzeby porównań inżynierskich utratę masy przelicza się na utratę objętości przy użyciu gęstości materiału. Utrata objętości jest następnie dzielona przez powierzchnię wystawioną na działanie czynników erozyjnych w celu określenia średniej głębokości erozji. Na podstawie krzywej głębokości erozji badacz może obliczyć charakterystyczne parametry erozji, takie jak maksymalna szybkość erozji, końcowa szybkość erozji oraz średnia głębokość erozji. Hielscher zauważa również, że erozję można przedstawiać jako masę, objętość lub głębokość penetracji w przeliczeniu na czas lub na dostarczoną energię ultradźwiękową, w zależności od wybranego protokołu.

Średnie głębokości erozji w funkcji skorygowanych parametrów jakości powłoki n. Wyżarzanie proszku, a co za tym idzie zmniejszenie jego wytrzymałości, pozwala uzyskać wysoką jakość powłoki. Ilustracje przedstawiają uszkodzenia powierzchni powstałe po 100 minutach badania kawitacyjnego.
Wykresy i badanie: ©Hauer i in., 2021.

Ważnym wnioskiem płynącym z badań Hauera jest to, że wczesne tempo erozji może być mylące. Powłoki nakładane metodą natrysku termicznego i kinetycznego często wykazywały początkowo dużą utratę materiału, po czym tempo erozji spadało i ustabilizowało się na niższym poziomie. Z tego powodu Hauer i in. wykorzystali końcowe tempo erozji jako bardziej reprezentatywny wskaźnik długoterminowej wydajności powłoki. W przeprowadzonym przez nich 120-minutowym porównaniu końcową szybkość erozji oceniano głównie na podstawie drugiej połowy badania, czyli po upływie 60 minut, aby lepiej uchwycić ustabilizowane zachowanie powłoki.

Wyniki badań pokazują, dlaczego urządzenie do kontrolowanej kawitacji wibracyjnej jest tak cenne. Odlew z brązu niklowo-aluminiowego osiągnął końcową szybkość erozji wynoszącą około 0,40 µm/h. Zoptymalizowana powłoka z brązu naniesiona metodą natrysku na gorąco osiągnęła 0,57 µm/h, co jest wynikiem zbliżonym do odlewu referencyjnego. Zoptymalizowana powłoka naniesiona metodą natrysku łukowego na stali stosowanej w przemyśle stoczniowym osiągnęła wartość około 1,02 µm/h, natomiast zoptymalizowana powłoka naniesiona metodą HVOF osiągnęła około 1,74 µm/h. Nawet jeśli powłoki te nie dorównały w pełni odlewowi z brązu śrubowego, znacznie przewyższały one stal stosowaną w przemyśle stoczniowym; w badaniu stwierdzono, że powłoki naniesione metodą natrysku łukowego i HVOF osiągnęły odpowiednio około 26-krotnie i 16-krotnie lepszą odporność na kawitację niż stal VL-A.

Wykorzystaj sonikator jako urządzenie wibracyjne do przeprowadzania badań erozji kawitacyjnej

Wniosek praktyczny jest taki, że badania erozji kawitacyjnej z wykorzystaniem sonikatora UIP1000hdT jako urządzenia wibracyjnego pozwalają nie tylko na klasyfikację materiałów. Ujawniają one, w jaki sposób proces powlekania, mikrostruktura, zawartość tlenków, porowatość, wiązanie międzyfazowe oraz obróbka końcowa wpływają na rzeczywiste zachowanie erozyjne. Hauer i in. doszli do wniosku, że natryskiwanie HVOF i łukowe mogą stanowić dobry kompromis między wydajnością a kosztami w przypadku ulepszania powierzchni stalowych sterów, natomiast natryskiwanie na zimno i na ciepło jest preferowane, gdy wymagana jest odporność na kawitację zbliżona do brązu niklowo-aluminiowego w postaci litych odlewów.

Dla laboratoriów i twórców powłok kluczem do uzyskania powtarzalnych wyników jest ścisła kontrola parametrów badawczych: amplitudy sonotrody, częstotliwości, odległości między sonotrodą a próbką, temperatury cieczy, składu chemicznego cieczy, przygotowania próbki, częstotliwości ważenia oraz obliczania szybkości erozji. Po zdefiniowaniu tych warunków urządzenie Hielscher UIP1000hdT zapewnia praktyczny i powtarzalny sposób przekształcenia kawitacji ultradźwiękowej w ilościowe dane dotyczące właściwości powłoki.

Przykładowy arkusz roboczy do badania erozji kawitacyjnej

 
Instrukcje dotyczące badań erozji kawitacyjnej znajdziesz tutaj!

Układ do badania erozji kawitacyjnej zgodnie z normą ASTM G32

Urządzenia ultradźwiękowe UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT i UIP2000hdT nadają się do przeprowadzania badań zgodnie z normą ASTM G32. Każde z tych urządzeń możemy wyposażyć w precyzyjny protokół pomiaru amplitudy amplitudy mechanicznej na końcówce sonotrody. Zalecamy stosowanie dowolnego z tych urządzeń w połączeniu z sonotrodą BS4d22 (o średnicy 22 mm) oraz statywem ST2.

Sonotroda ASTM G32 -16 15,9 mm z wymienną końcówką

Projektowanie, produkcja i doradztwo – Jakość Made in Germany

Ultradźwięki Hielscher są dobrze znane z najwyższej jakości i standardów projektowych. Solidność i łatwa obsługa pozwalają na płynną integrację naszych ultradźwiękowców z obiektami przemysłowymi. Trudne warunki i wymagające środowiska są łatwo obsługiwane przez ultradźwięki Hielscher.

Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne ultradźwięki z najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście ultradźwięki Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Literatura / Referencje