Badania erozji kawitacyjnej

Erozja kawitacyjna występuje na powierzchniach materiałów poddanych intensywnej kawitacji ultradźwiękowej. Badanie erozji kawitacyjnej jest szybką metodą pomiaru odporności materiałów lub powłok na erozję wywołaną intensywnymi naprężeniami i innymi czynnikami erozyjnymi. Zapewnia prosty pomiar ilościowy na potrzeby kontroli jakości i jest przydatne podczas badań materiałowych lub opracowywania receptur powłok.

Dlaczego warto stosować badania erozji kawitacyjnej?

Postępująca erozja lub korozja może wymagać regularnej wymiany części lub odnawiania powłok powierzchniowych. Erozja powierzchni materiału wskutek oddziaływań mechanicznych lub chemicznych jest powolnym procesem prowadzącym do stopniowego niszczenia powierzchni materiałów. Dlatego ocena odporności materiału na erozję lub erozyjnego oddziaływania cieczy i zawiesin może być bardzo czasochłonna.
Badanie erozji wywołanej kawitacją ultradźwiękową poddaje powierzchnię materiału kontrolowanym, intensywnym, powtarzającym się cyklom naprężeń. Powoduje to znaczną erozję powierzchni materiału w krótkim czasie. Można szybko zmierzyć odporność na erozję w ramach regularnej kontroli jakości w produkcji, oceny dostarczanych materiałów lub prac badawczo-rozwojowych.
Typowe zastosowania obejmują badania metalurgiczne, badania receptur powłok, badania nakładania powłok lub ocenę inhibitorów erozji w cieczach.

Dlaczego kawitacja powoduje erozję powierzchni?

Urządzenia ultradźwiękowe, takie jak UP400St (400 watów, 24kHz) lub UIP1000hdT (1000 watów, 20kHz), przekazują drgania ultradźwiękowe do cieczy, takich jak woda. Szybki ruch posuwisto-zwrotny związany z drganiami w cieczy powoduje powstawanie i zapadanie się pęcherzyków kawitacyjnych. Gdy pęcherzyki się zapadają, w cieczy i na poddanych jej działaniu powierzchniach materiałów występują duże lokalne naprężenia mechaniczne. Strugi cieczy o prędkości do 1000km/h i lokalne ciśnienia do 1000atm prowadzą do szybkiego zmęczenia powierzchni materiału. Może to usuwać warstwy tlenkowe lub pasywacyjne, powłoki lub osady. Może powodować powstawanie wżerów w materiałach stałych, takich jak stal, tytan, aluminium, tworzywa sztuczne lub szkło. Dlatego badanie erozji kawitacyjnej jest metodą badań niszczących.

Jak przebiega badanie erozji kawitacyjnej?

Erozja kawitacyjna powierzchni materiałów powoduje stopniowy ubytek materiału. Ubytek materiału można łatwo zmierzyć, ważąc materiał na wadze precyzyjnej przed określoną ekspozycją na erozję kawitacyjną i po niej. Typowa zmiana masy w badaniu erozji kawitacyjnej wynosi od 1 do 30mg. W celu dalszej standaryzacji można obliczyć ubytek objętości, dzieląc ubytek masy przez gęstość materiału. Średnią głębokość penetracji (MDP) oblicza się, dzieląc ubytek objętości przez pole powierzchni próbki. Alternatywnie można zmierzyć głębokość wżerów lub objętość przemieszczoną. Analiza mikroskopowa pozwala uzyskać dodatkowe informacje jakościowe o charakterze erozji.
Podczas korzystania z urządzenia ultradźwiękowego Hielscher do badania erozji kawitacyjnej można wstępnie ustawić zakres temperatury i zakres ciśnienia, w których ma przebiegać badanie. Można regulować amplitudę sonikacji. Wszystkie parametry są monitorowane, wyświetlane i zapisywane na karcie SD. Nie trzeba instalować żadnego oprogramowania firmowego. W razie potrzeby można sterować procesem ultradźwiękowym i monitorować go ze zwykłej przeglądarki internetowej po podłączeniu urządzenia ultradźwiękowego do komputera za pomocą kabla Ethernet (w zestawie).

Na czym polega standardowa metoda ASTM G32 badania erozji kawitacyjnej z użyciem aparatury wibracyjnej?

Norma ASTM G32-16 opisuje znormalizowaną metodę badania erozji kawitacyjnej. Określa proste, kontrolowalne i odtwarzalne badanie służące do ilościowej oceny i porównywania odporności różnych materiałów na erozję kawitacyjną. Specyfikacje ATSM G32-16 są przydatne do porównywania uzyskanych wyników z wynikami przedstawionymi w innych publikacjach. Jeśli chcesz wdrożyć badania erozji kawitacyjnej w kontroli jakości, zalecamy dostosowanie protokołu badania erozji kawitacyjnej do konkretnych wymagań. Chętnie pomożemy w opracowaniu protokołu badania erozji kawitacyjnej dostosowanego do indywidualnych potrzeb. Kliknij tutaj, aby uzyskać więcej informacji o badaniach erozji kawitacyjnej zgodnie z ASTM-G32!

Dlaczego warto stosować limit 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 jego upływie. Następnie można obliczyć uzyskaną szybkość erozji kawitacyjnej w mm/hr lub mm3/hr. Limit czasu jest dopuszczalny 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 się zmieni, zmienią się również moc sonikacji i intensywność kawitacji. Istotne jest, aby rzeczywista moc netto dostarczana do cieczy nie ulegała wahaniom podczas badania.
W urządzeniach ultradźwiękowych Hielscher można ustawić limit energii. W takim przypadku urządzenie ultradźwiękowe zatrzyma się po dostarczeniu określonej energii ultradźwiękowej. Urządzenie Hielscher będzie wyświetlać i rejestrować parametry, takie jak rzeczywista moc netto, amplituda, ciśnienie i temperatura cieczy. Przy zastosowaniu limitu energii wahania mocy lub celowe zmiany parametrów zostaną skompensowane. Następnie można określić uzyskaną szybkość erozji kawitacyjnej w mm/kWhr, mm3/kWhr lub mg/kWhr.
Ważąc próbkę między kolejnymi przedziałami ekspozycji na erozję kawitacyjną, można sporządzić krzywą przedstawiającą przyrostowy ubytek masy (szybkość ubytku masy w każdym przedziale energii) w funkcji skumulowanej energii.
Aby uzyskać dokładniejsze wyniki, urządzenie może przeprowadzić automatyczną kalibrację (30 sekund). Polega ona na pomiarze mocy dla wszystkich ustawień amplitudy w powietrzu przy ciśnieniu otoczenia. Urządzenie Hielscher wykorzystuje te dane kalibracyjne do podawania bardzo dokładnych wartości mocy netto w czasie rzeczywistym.

Ciśnienie cieczy podczas sonikacji

Wiele standardowych protokołów badania erozji kawitacyjnej wykorzystuje kawitację ultradźwiękową przy ciśnieniu otoczenia. Ciśnienie cieczy jest drugim najważniejszym czynnikiem wpływającym na intensywność sonikacji. Wzrost ciśnienia otoczenia o 10% zwiększy intensywność sonikacji o około 10%. Intensywniejsza kawitacja skraca czas potrzebny do osiągnięcia określonego stopnia erozji kawitacyjnej. Badanie pojedynczej próbki często może trwać od 15 do 120 minut. Jeśli trzeba zbadać wiele próbek, praca przy wyższych ciśnieniach może znacznie skrócić czas każdego badania. Badania przy 5 barg (73psig) wymagają około 80% mniej czasu na każde badanie.
Hielscher dostarcza ciśnienioszczelne komory badawcze z cyfrowym czujnikiem ciśnienia do badań erozji kawitacyjnej. Zastosowanie komory ciśnienioszczelnej pozwala kontrolować i utrzymywać ciśnienie podczas każdego badania. Generator ultradźwiękowy stale monitoruje czujnik ciśnienia i zapisuje rzeczywiste ciśnienie w pliku CSV zgodnym z programem Excel na karcie SD (w zestawie). Hielscher dostarcza regulatory ciśnienia do ustawiania i utrzymywania ciśnienia roboczego.
Standardowo ciśnienioszczelne komory badawcze Hielscher do badań erozji kawitacyjnej są przeznaczone do pracy przy ciśnieniu do 5barg (73psig). Wyższe ciśnienia, do 300barg (4350psig), są dostępne na zamówienie.

Częstotliwość ultradźwięków

W badaniach erozji kawitacyjnej na ogół stosuje się ultradźwięki o niskiej częstotliwości i wysokiej intensywności w zakresie 18–30kHz. 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 nią. Można wykonać gwintowaną próbkę materiału i zamontować ją na końcu sonotrody ultradźwiękowej. W takim przypadku próbka drga z określoną amplitudą ultradźwiękową i wytwarza kawitację na swojej powierzchni. Wymaga to precyzyjnej obróbki mechanicznej i nie wszystkie materiały nadają się do tego wariantu.
Alternatywnie można zamocować część lub próbkę w niewielkiej odległości pod sonotrodą tytanową. W takim przypadku sonotroda tytanowa wytwarza kawitację, a powierzchnia materiału jest poddawana jej działaniu. Jest to wygodniejszy wariant, ponieważ w komorze badawczej można umieszczać próbki o różnych rozmiarach lub kształtach. Zastosowanie większej sonotrody, na przykład o średnicy 50mm lub 80mm, pozwala jednocześnie poddawać wiele części erozji kawitacyjnej. Jest to bardzo przydatne, gdy trzeba badać wiele części dziennie, np. w ramach kontroli jakości.
W obu przypadkach odległość między sonotrodą ultradźwiękową a znajdującą się obok niej powierzchnią materiału jest bardzo ważna. Na ogół erozja kawitacyjna zachodzi szybciej przy mniejszej odległości. Typowe odległości wynoszą od 0,2 do 15mm. Aby uzyskać miarodajne wyniki, należy stosować tę samą odległość we wszystkich badaniach.

Temperatura cieczy

Cieplejsza ciecz powoduje niższą intensywność kawitacji ultradźwiękowej. Doprowadzanie energii drgań mechanicznych do cieczy powoduje jej nagrzewanie. Aby utrzymać stałą temperaturę podczas każdego badania erozji kawitacyjnej, ciecz musi być chłodzona. Hielscher dostarcza pojemniki z płaszczem oraz ciśnienioszczelne komory z płaszczem. Alternatywnie można zastosować wężownicę chłodzącą w zlewce lub umieścić zlewkę w kąpieli lodowej. Chłodziwo przepływające przez płaszcz lub wężownicę chłodzącą odprowadza ciepło z cieczy.
Urządzenia ultradźwiękowe Hielscher, takie jak UP400St lub UIP1000hdT, są wyposażone w sondę temperatury PT100 (w zestawie). Generator ultradźwiękowy stale monitoruje rzeczywistą temperaturę cieczy i zapisuje ją w pliku CSV zgodnym z programem Excel na karcie SD (w zestawie). Można ustawić generator tak, aby wstrzymywał badanie erozji kawitacyjnej, jeśli temperatura cieczy zbyt mocno odbiega od wartości zadanej, np. z powodu niewystarczającej wydajności chłodzenia. Generator może automatycznie wznowić sonikację, gdy ciecz ponownie osiągnie określoną temperaturę.

Ciecz poddawana kawitacji

W badaniach erozji kawitacyjnej na ogół stosuje się wodę, na przykład wodę destylowaną. Różne ciecze wykazują różne właściwości kawitacyjne. Jeśli woda działa korozyjnie na dany materiał, można rozważyć badanie alternatywnych cieczy, takich jak oleje silikonowe o niskiej lepkości lub rozpuszczalniki organiczne, aby wyeliminować lub ograniczyć czynnik korozyjny. Alternatywnie można zwiększyć korozyjność cieczy, np. przez zmianę pH, lub jej właściwości ścierne przez dodanie cząstek ściernych. Badania erozji kawitacyjnej można stosować do oceny erozyjności i korozyjności cieczy, takich jak płuczki wiertnicze, lub do oceny skuteczności inhibitorów korozji lub erozji.

Obróbka mechaniczna

Podczas wytwarzania części lub próbki obróbka CNC, szlifowanie lub polerowanie powodują uszkodzenia struktury ziarnowej w pobliżu powierzchni materiału. Zmniejsza to odporność na erozję.

Warstwy pasywacyjne/tlenkowe

Bardzo często erozja i korozja występują jednocześnie. Woda, na przykład destylowana, demineralizowana lub dejonizowana, może działać korozyjnie na wiele materiałów. Kawitacja ultradźwiękowa sprzyja korozji. Warstwy pasywacyjne, np. na anodowanym aluminium, zwiększają odporność powierzchni materiału na erozję i korozję.

Jakie ograniczenia mają badania erozji kawitacyjnej?

Niektóre elastomery mogą wymagać ekspozycji na bardzo intensywną kawitację, aby w ogóle wykazać jakąkolwiek erozję kawitacyjną. W takim przypadku sonikacja bez komory pod ciśnieniem może nie dawać żadnego mierzalnego efektu.