Badanie erozji kawitacyjnej

Erozja kawitacyjna występuje na powierzchniach materiałów narażonych na intensywną kawitację ultradźwiękową. Badanie erozji kawitacyjnej jest szybką metodą pomiaru odporności materiałów lub powłok na intensywne naprężenia i inne czynniki erozyjne. Zapewnia łatwy pomiar ilościowy do kontroli jakości i jest przydatny podczas badań materiałów lub formułowania powłok.

Dlaczego warto korzystać z testów erozji kawitacyjnej?

Postępująca erozja lub korozja może wymagać regularnej wymiany części lub odnowienia powłok powierzchniowych. Erozja powierzchni materiału spowodowana czynnikami mechanicznymi lub chemicznymi jest procesem powolnym, prowadzącym do stopniowego niszczenia powierzchni materiału. Dlatego też ocena odporności materiału na erozję lub wpływu erozyjnego cieczy i zawiesin może być bardzo czasochłonnym procesem.
Ultradźwiękowe testy erozji kawitacyjnej wystawiają powierzchnię materiału na kontrolowane, intensywne, powtarzające się cykle naprężeń. Powoduje to znaczną erozję powierzchni materiału w krótkim czasie. Można szybko zmierzyć odporność na erozję w celu regularnej kontroli jakości w produkcji, oceny materiałów przychodzących lub podczas badań i rozwoju.
Standardowe zastosowania obejmują testy metalurgiczne, testowanie receptur powłok, testowanie aplikacji powłok lub ocenę inhibitorów erozji w cieczach.

Dlaczego kawitacja powoduje erozję powierzchni?

Urządzenia ultradźwiękowe, takie jak UP400St (400 W, 24 kHz) lub UIP1000hdT (1000 W, 20 kHz) łączą drgania ultradźwiękowe z cieczami, takimi jak woda. Szybki wzajemny ruch drgań w cieczy powoduje powstawanie i zapadanie się pęcherzyków kawitacyjnych. Gdy pęcherzyki zapadają się, w cieczy i na odsłoniętych powierzchniach materiału powstają duże miejscowe naprężenia mechaniczne. Strumienie cieczy o prędkości do 1000 km/h i lokalnym ciśnieniu do 1000 atm prowadzą do szybkiego zmęczenia powierzchni materiału. Może to spowodować usunięcie warstw tlenków lub pasywacji, powłok lub zanieczyszczeń. Może to powodować wżery w materiałach stałych, takich jak stal, tytan, aluminium, plastik lub szkło. Dlatego też badanie erozji kawitacyjnej jest niszczącą metodą badawczą.

Jak działa test erozji kawitacyjnej?

Erozja kawitacyjna powierzchni materiału powoduje stopniową utratę materiału. Ubytek materiału można łatwo zmierzyć, ważąc materiał na precyzyjnej wadze przed i po określonej ekspozycji na erozję kawitacyjną. Typowa zmiana masy w teście erozji kawitacyjnej wynosi od 1 do 30 mg. W celu dalszej standaryzacji można obliczyć utratę objętości, dzieląc utratę masy przez gęstość materiału. Średnia głębokość penetracji (MDP) jest obliczana przez podzielenie utraty objętości przez powierzchnię próbki. Alternatywnie, można zmierzyć głębokość wżerów lub objętość przemieszczenia. Można użyć analizy mikroskopowej, aby uzyskać dodatkowe informacje jakościowe na temat wzoru erozji.
Podczas korzystania z urządzenia ultradźwiękowego Hielscher do badania erozji kawitacyjnej można wstępnie ustawić zakres temperatur i zakres ciśnienia, w którym chcesz pracować. Można dostosować amplitudę sonikacji. Wszystkie parametry są monitorowane, wyświetlane i protokołowane na karcie SD. Nie jest wymagana instalacja żadnego oprogramowania. Jeśli chcesz, możesz kontrolować i monitorować proces ultradźwiękowy za pomocą zwykłej przeglądarki internetowej, jeśli podłączysz urządzenie ultradźwiękowe do komputera za pomocą kabla Ethernet (w zestawie).

Czym jest standardowa metoda ASTM G32 dla erozji kawitacyjnej przy użyciu aparatu wibracyjnego?

Norma ASTM G32-16 opisuje znormalizowaną metodę erozji kawitacyjnej. Określa prosty, kontrolowany i powtarzalny test do ilościowego określania i porównywania odporności na erozję kawitacyjną różnych materiałów. Specyfikacje ATSM G32-16 są przydatne do porównania wyników z innymi publikacjami. Jeśli chcesz wdrożyć test erozji kawitacyjnej w kontroli jakości, zalecamy dostosowanie protokołu testu erozji kawitacyjnej do konkretnych wymagań. Chętnie pomożemy w opracowaniu niestandardowego protokołu testu erozji kawitacyjnej. Aby uzyskać więcej informacji na temat badań erozji kawitacyjnej zgodnie z normą ASTM-G32, kliknij tutaj!

Dlaczego powinienem używać limitu energii zamiast limitu czasu?

Wiele publikacji i protokołów badań erozji określa czas ekspozycji na kawitację. W urządzeniach ultradźwiękowych Hielscher można wstępnie ustawić czas sonikacji, a system zatrzyma się po upływie tego czasu. Następnie można obliczyć wynikową szybkość erozji kawitacyjnej w mm/godz. lub mm3/godz. Limit czasu jest akceptowalny tylko wtedy, gdy nie zmienia się żadnych parametrów, takich jak poziom cieczy, amplituda, ciśnienie, temperatura, skład cieczy lub szczelina między sonotrodą a powierzchnią materiału. Jeśli którykolwiek z tych parametrów ulegnie zmianie, zmieni się również moc sonikacji i intensywność kawitacji. Ważne jest, aby rzeczywista moc netto dostarczana do cieczy nie zmieniała się w czasie trwania testu.
W urządzeniach ultradźwiękowych Hielscher można ustawić limit energii. W takim przypadku urządzenie ultradźwiękowe zatrzyma się po dostarczeniu określonej energii ultradźwiękowej. Urządzenie Hielscher wyświetla i rejestruje parametry, takie jak rzeczywista moc netto, amplituda, ciśnienie i temperatura cieczy. Wahania mocy lub celowe zmiany parametrów będą kompensowane podczas korzystania z limitu energii. Następnie można określić wynikową szybkość erozji kawitacyjnej w mm/kWhr, mm3/kWhr lub mg/kWhr.
Jeśli zważysz próbkę pomiędzy okresami erozji kawitacyjnej, możesz wygenerować krzywą pokazującą marginalną utratę masy (wskaźnik utraty masy w każdym przedziale energii) w stosunku do skumulowanej energii.
Aby uzyskać bardziej precyzyjne wyniki, urządzenie może wykonać automatyczną kalibrację (30 sekund). Mierzy ona moc dla wszystkich ustawień amplitudy w powietrzu przy ciśnieniu otoczenia. Urządzenie Hielscher wykorzystuje te dane kalibracyjne do podawania bardzo precyzyjnych wartości mocy netto w czasie rzeczywistym.

Ciśnienie cieczy podczas sonikacji

Wiele standardowych protokołów badania erozji kawitacyjnej wykorzystuje kawitację ultradźwiękową pod ciśnieniem otoczenia. Ciśnienie cieczy jest drugim najważniejszym czynnikiem wpływającym na intensywność sonikacji. Wzrost ciśnienia otoczenia o 10% zwiększy intensywność sonikacji o około 10%. Bardziej intensywna kawitacja skraca czas potrzebny do osiągnięcia określonego stopnia erozji kawitacyjnej. Często test pojedynczej próbki może trwać od 15 do 120 minut. Jeśli masz wiele próbek do przetestowania, praca przy wyższych ciśnieniach może znacznie skrócić czas każdego testu. Testy przy ciśnieniu 5 barg (73 psig) wymagają około 80% mniej czasu na każdy test.
Hielscher dostarcza szczelne komory testowe z cyfrowym czujnikiem ciśnienia do badań erozji kawitacyjnej. Używając szczelnej komory, można kontrolować i utrzymywać ciśnienie podczas każdego testu. Generator ultradźwiękowy stale monitoruje czujnik ciśnienia i protokołuje rzeczywiste ciśnienie do pliku CSV zgodnego z programem Excel na karcie SD (w zestawie). Hielscher dostarcza regulatory ciśnienia do ustawiania i utrzymywania ciśnienia roboczego.
Standardowo ciśnieniowo szczelne komory testowe Hielscher do badań erozji kawitacyjnej są przystosowane do ciśnienia do 5barg (73psig). Wyższe ciśnienia do 300barg (4350psig) są dostępne na życzenie.

Częstotliwość ultradźwięków

Ogólnie rzecz biorąc, badania erozji kawitacyjnej wykorzystują ultradźwięki o niskiej częstotliwości i wysokiej intensywności w zakresie 18-30 kHz. W tym zakresie zmiana częstotliwości ma bardzo ograniczony wpływ na intensywność kawitacji. Wszystkie urządzenia Hielscher pracują ze stałą częstotliwością.

Odległość od sonotrody

Badany materiał można zamontować na sonotrodzie lub pod sonotrodą. Można wykonać gwintowaną próbkę materiału i zamontować ją na końcu sonotrody ultradźwiękowej. W tym przypadku próbka wibruje przy określonej amplitudzie ultradźwięków i wytwarza kawitację na swojej powierzchni. Wymaga to precyzyjnej obróbki i nie wszystkie materiały nadają się do tej opcji.
Alternatywnie można zamocować część lub próbkę w bliskiej odległości pod tytanową sonotrodą. W tym przypadku tytanowa sonotroda wytwarza kawitację, a powierzchnia materiału jest narażona na kawitację. Jest to wygodniejsza opcja, ponieważ w komorze testowej można umieścić próbki o różnych rozmiarach lub kształtach. Jeśli używasz większej sonotrody, takiej jak sonotroda o średnicy 50 mm lub 80 mm, możesz narazić wiele części na erozję kawitacyjną w tym samym czasie. Jest to bardzo przydatne, gdy trzeba przetestować wiele części dziennie, np. w celu kontroli jakości.
W obu przypadkach bardzo ważna jest odległość między sonotrodą ultradźwiękową a powierzchnią materiału obok niej. Ogólnie rzecz biorąc, erozja kawitacyjna jest szybsza przy użyciu mniejszej odległości. Typowe odległości wynoszą od 0,2 do 15 mm. Aby uzyskać rozstrzygające wyniki, należy użyć tej samej odległości dla wszystkich testów.

Temperatura cieczy

Cieplejsza ciecz powoduje mniejszą intensywność kawitacji ultradźwiękowej. Wprowadzenie energii drgań mechanicznych do cieczy spowoduje jej podgrzanie. Aby utrzymać stałą temperaturę podczas każdego testu erozji kawitacyjnej, ciecz musi być chłodzona. Hielscher dostarcza pojemniki z płaszczem i szczelne komory ciśnieniowe z płaszczem. Alternatywnie można użyć wężownicy chłodzącej w zlewce lub umieścić zlewkę w łaźni lodowej. Chłodziwo przepływające przez płaszcz lub wężownicę chłodzącą usuwa ciepło z cieczy.
Urządzenia ultradźwiękowe Hielscher, takie jak UP400St lub UIP1000hdT, są wyposażone w sondę temperatury PT100 (w zestawie). Generator ultradźwiękowy monitoruje rzeczywistą temperaturę cieczy w sposób ciągły i zapisuje temperaturę w pliku CSV zgodnym z programem Excel na karcie SD (w zestawie). Generator można ustawić tak, aby wstrzymywał testowanie erozji kawitacyjnej, jeśli temperatura cieczy zbytnio odbiega od wartości zadanej, np. z powodu niewystarczającej wydajności chłodzenia. Generator może automatycznie wznowić sonikację, gdy ciecz ponownie osiągnie określoną temperaturę.

Ciecz kawitująca

Ogólnie rzecz biorąc, w testach erozji kawitacyjnej wykorzystuje się wodę, taką jak woda destylowana. Różne ciecze wykazują różne właściwości kawitacyjne. Jeśli woda jest korozyjna dla materiału, warto przetestować alternatywne ciecze, takie jak oleje silikonowe o niskiej lepkości lub rozpuszczalniki organiczne, aby wyeliminować lub zmniejszyć czynnik korozyjny. Alternatywnie można sprawić, że ciecz będzie bardziej korozyjna, np. poprzez zmianę pH lub bardziej ścierna poprzez dodanie cząstek ściernych. Testy erozji kawitacyjnej można wykorzystać do oceny erozyjności i korozyjności cieczy, takich jak płuczki wiertnicze, lub do oceny skuteczności inhibitorów korozji lub erozji.

Obróbka skrawaniem

Podczas produkcji części lub próbek, obróbka CNC, szlifowanie lub polerowanie powodują uszkodzenia struktury ziaren w pobliżu powierzchni materiału. Zmniejsza to odporność na erozję.

Warstwy pasywacyjne/tlenkowe

Bardzo często erozja i korozja występują jednocześnie. Woda, taka jak woda destylowana, demineralizowana lub dejonizowana, może powodować korozję wielu materiałów. Kawitacja ultradźwiękowa sprzyja korozji. Warstwy pasywacyjne, np. na anodowanym aluminium, zwiększają odporność powierzchni materiału na erozję i korozję.

Jakie ograniczenia ma badanie erozji kawitacyjnej?

Niektóre elastomery mogą wymagać bardzo intensywnej ekspozycji na kawitację, aby w ogóle wykazać erozję kawitacyjną. W takim przypadku sonikacja bez komory ciśnieniowej może nie wykazywać żadnego mierzalnego efektu.