Praktyczne badania erozji kawitacyjnej powłok z brązu do zastosowań morskich

Badania erozji kawitacyjnej są najbardziej użyteczne, gdy łączą kontrolowaną ekspozycję laboratoryjną z rzeczywistym problemem inżynierskim. Praktycznym przykładem jest ocena odpornych na kawitację powłok z brązu przeznaczonych do elementów okrętowych, takich jak stery i śruby napędowe. Elementy te pracują w strefach, w których lokalne wahania ciśnienia mogą powodować powstawanie pęcherzyków pary zapadających się w pobliżu powierzchni i wywołujących powtarzające się obciążenia udarowe o dużej intensywności. Z czasem prowadzi to do powstawania wżerów, uszkodzeń zmęczeniowych, zniszczenia powłoki i ubytku materiału.

Badanie erozji kawitacyjnej powłok z brązu

W badaniu Hauer i wsp. porównano powłoki z brązu wytworzone przez natryskiwanie na zimno, natryskiwanie na ciepło, natryskiwanie HVOF i natryskiwanie łukowe z odlewanym brązem aluminiowo-niklowym i stalą okrętową. Główne pytanie było proste: która metoda nakładania powłok pozwala uzyskać powierzchnię z brązu wytrzymującą oddziaływanie kawitacji wystarczająco długo, aby nadawała się do eksploatacji w warunkach morskich? Aby na nie odpowiedzieć, badacze przeprowadzili badanie erozji kawitacyjnej oparte na normie ASTM G32-16 z wykorzystaniem aparatury wibracyjnej, w tym ultradźwiękowego układu wibracyjnego Hielscher UIP1000hdT jako układu badawczego.

Precyzyjna kontrola warunków badania i automatyczna rejestracja danych

Sonikator UIP1000hdT dobrze nadaje się do tego rodzaju badań, ponieważ dostarcza ultradźwięki o dużej intensywności i niskiej częstotliwości w zakresie stosowanym w badaniach erozji kawitacyjnej. Stanowisko do badania erozji kawitacyjnej wykorzystujące sonikator o mocy 1000 watów pracuje z częstotliwością 20 kHz i umożliwia precyzyjne monitorowanie procesu, kontrolę amplitudy, pomiar temperatury oraz automatyczną rejestrację danych z badania. Funkcje te są ważne, ponieważ intensywność kawitacji silnie zależy od amplitudy, temperatury cieczy, ciśnienia cieczy, geometrii sonotrody oraz odległości między sonotrodą a próbką.

(a) Badanie erozji kawitacyjnej zgodnie z ASTM G32-16 z użyciem sonikatora UIP1000hd (metoda pośrednia). Wszystkie parametry badania są wartościami nominalnymi; tolerancje podano w normie.
(b) Schematyczne fazy krzywej erozji w funkcji czasu oraz charakterystyczne parametry procedury badawczej.
Grafiki i badanie: ©Hauer et al., 2021.

Ultradźwiękowe badanie erozji kawitacyjnej powłok z brązu

W przykładzie dotyczącym powłoki z brązu do zastosowań morskich badanie przeprowadzono w układzie pośrednim według ASTM G32. W tej konfiguracji próbka nie jest zamocowana do drgającej sonotrody. Zamiast tego sonotroda ultradźwiękowa wytwarza kawitację w wodzie destylowanej, a próbka z powłoką jest zamocowana pod sonotrodą z zachowaniem określonej szczeliny. Hauer i wsp. zastosowali odległość między próbką a sonotrodą wynoszącą 0,5 mm, częstotliwość 20 kHz oraz amplitudę międzyszczytową 50 µm. Cieczą badawczą była woda destylowana, utrzymywana w temperaturze zbliżonej do pokojowej, około 25 °C.

Przygotowanie próbki jest kluczowym etapem. Przed ekspozycją na kawitację powierzchnie z powłokami stopniowo szlifowano i polerowano, kończąc na drobnym diamentowym materiale ściernym o wielkości ziaren poniżej 4 µm. Ogranicza to wpływ słabo związanych cząstek lub nierówności powierzchni, które w przeciwnym razie mogłyby natychmiast się odrywać i zniekształcać krzywą erozji. Celem nie jest nadanie powłoce dobrego wyglądu, lecz uzyskanie powtarzalnego stanu początkowego, tak aby zmierzony ubytek masy odzwierciedlał odporność na kawitację, a nie niewłaściwe przygotowanie powierzchni.

Procedura ultradźwiękowego badania erozji kawitacyjnej i jej wyniki

Praktyczna procedura badawcza jest prosta. Najpierw każdą próbkę oczyszcza się, suszy i waży na wadze precyzyjnej. Następnie montuje się ją w komorze badawczej pod sonotrodą BS4d22 sonikatora UIP1000hdT, starannie i powtarzalnie ustawiając szczelinę 0,5 mm. Sonikator pracuje z określoną amplitudą i częstotliwością, a temperatura cieczy jest kontrolowana, aby zapobiec zmianom intensywności kawitacji wskutek nagrzewania. Po określonym czasie ekspozycji próbkę wyjmuje się, oczyszcza, suszy i ponownie waży. Sekwencję tę powtarza się dla coraz dłuższych, zależnych od materiału okresów ekspozycji, aż do uzyskania pełnej krzywej erozji.
Bezpośrednio mierzoną wielkością jest ubytek masy. Do porównań inżynierskich ubytek ten przelicza się na ubytek objętości z wykorzystaniem gęstości materiału. Następnie ubytek objętości dzieli się przez pole powierzchni poddanej ekspozycji, aby określić średnią głębokość erozji. Na podstawie krzywej głębokości erozji badacz może obliczyć charakterystyczne parametry erozji, takie jak maksymalna szybkość erozji, końcowa szybkość erozji i średnia głębokość erozji. Hielscher wskazuje również, że erozję można wyrażać jako ubytek masy, ubytek objętości lub głębokość penetracji w przeliczeniu na jednostkę czasu albo dostarczonej energii ultradźwiękowej, w zależności od wybranego protokołu.

Średnie głębokości erozji w funkcji dostosowanych parametrów jakości powłoki n. Wyżarzanie proszku, a tym samym zmniejszenie jego wytrzymałości, umożliwia uzyskanie wysokiej jakości powłok. Wstawki przedstawiają uszkodzenia powierzchni uzyskane po czasie badania kawitacyjnego wynoszącym 100min.
Wykresy i badanie: ©Hauer et al., 2021.

Jednym z ważnych wniosków z badania Hauer jest to, że początkowe szybkości erozji mogą być mylące. Powłoki natryskiwane cieplnie i kinetycznie często wykazywały duży początkowy ubytek materiału, po którym następowała niższa, bardziej stabilna szybkość erozji. Z tego powodu Hauer i wsp. zastosowali końcową szybkość erozji jako bardziej reprezentatywny wskaźnik długoterminowych właściwości użytkowych powłoki. W porównaniu trwającym 120 minut końcową szybkość erozji oceniano głównie na podstawie drugiej połowy badania, po upływie 60 minut, aby lepiej uchwycić ustabilizowane zachowanie.

Wyniki badań pokazują, dlaczego aparatura do wytwarzania kawitacji za pomocą kontrolowanych drgań jest przydatna. Odlewany brąz aluminiowo-niklowy osiągnął końcową szybkość erozji wynoszącą około 0,40 µm/h. Zoptymalizowany brąz natryskiwany na ciepło osiągnął 0,57 µm/h, czyli wartość zbliżoną do odlewanego materiału odniesienia. Zoptymalizowana powłoka natryskiwana łukowo na stali okrętowej osiągnęła około 1,02 µm/h, natomiast zoptymalizowana powłoka HVOF osiągnęła około 1,74 µm/h. Nawet gdy powłoki te nie dorównywały w pełni odlewanemu brązowi stosowanemu na śruby napędowe, znacznie przewyższały stal okrętową; w badaniu podano, że powłoki natryskiwane łukowo i metodą HVOF osiągnęły odpowiednio około 26 razy i 16 razy większą odporność na kawitację niż stal VL-A.

Wykorzystaj sonikator jako aparaturę wibracyjną w swoich badaniach erozji kawitacyjnej

Praktyczny wniosek jest taki, że badanie erozji kawitacyjnej z użyciem sonikatora UIP1000hdT jako aparatury wibracyjnej pozwala uzyskać więcej niż ranking materiałów. Ujawnia ono, jak metoda nakładania powłoki, mikrostruktura, zawartość tlenków, porowatość, wiązanie na granicy powłoki i podłoża oraz obróbka po naniesieniu powłoki wpływają na rzeczywisty przebieg erozji. Hauer i wsp. stwierdzili, że natryskiwanie HVOF i natryskiwanie łukowe mogą zapewniać korzystny kompromis między właściwościami użytkowymi a kosztami przy ulepszaniu powierzchni stalowych sterów, natomiast natryskiwanie na zimno i na ciepło jest preferowane, gdy wymagana jest odporność na kawitację zbliżona do odporności litego brązu aluminiowo-niklowego.

Dla laboratoriów i twórców powłok kluczem do powtarzalnych wyników jest ścisła kontrola parametrów badania: amplitudy sonotrody, częstotliwości, odległości między sonotrodą a próbką, temperatury cieczy, składu chemicznego cieczy, przygotowania próbki, odstępów między ważeniami oraz obliczania szybkości erozji. Po określeniu tych warunków Hielscher UIP1000hdT zapewnia praktyczny i powtarzalny sposób przekształcania kawitacji ultradźwiękowej w ilościowe dane o właściwościach użytkowych powłok.

Przykładowy arkusz roboczy do badań erozji kawitacyjnej

 
Tutaj znajdziesz instrukcje przeprowadzania badań erozji kawitacyjnej!

Stanowisko do badania erozji kawitacyjnej według ASTM G32

Sonikatory UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT i UIP2000hdT nadają się do badań według ASTM G32. Każde z tych urządzeń możemy dostarczyć z dokładnym protokołem pomiaru amplitudy mechanicznej na końcówce sonotrody. Zalecamy stosowanie dowolnego z tych urządzeń z sonotrodą BS4d22 (średnica 22mm) i statywem ST2.

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

Projektowanie, produkcja i doradztwo – jakość wyprodukowana w Niemczech

Urządzenia ultradźwiękowe Hielscher są znane z najwyższych standardów jakości i projektowania. Solidność i łatwa obsługa umożliwiają sprawną integrację naszych urządzeń ultradźwiękowych z instalacjami przemysłowymi. Urządzenia ultradźwiękowe Hielscher z łatwością radzą sobie w trudnych warunkach i wymagających środowiskach.

Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne urządzenia ultradźwiękowe wykorzystujące najnowocześniejszą technologię i zapewniające łatwość obsługi. Oczywiście urządzenia ultradźwiękowe Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Literatura / źródła

• 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.