Ensaios práticos de erosão por cavitação de revestimentos de bronze para aplicações marítimas

Os ensaios de erosão por cavitação são mais úteis quando relacionam uma exposição controlada em laboratório com um problema real de engenharia. Um exemplo prático é a avaliação de revestimentos de bronze resistentes à cavitação para componentes marítimos, como lemes e hélices de navios. Estas peças funcionam em zonas onde as flutuações locais de pressão podem gerar bolhas de vapor que colapsam junto à superfície, criando cargas de impacto repetidas de elevada intensidade. Com o tempo, isto provoca formação de picadas, danos por fadiga, falha do revestimento e perda de material.

Ensaio de erosão por cavitação de revestimentos de bronze

No estudo de Hauer et al., os revestimentos de bronze produzidos por projeção a frio, projeção a temperatura moderada, projeção HVOF e projeção por arco foram comparados com bronze de níquel-alumínio fundido e aço de construção naval. A questão central era simples: que processo de revestimento pode produzir uma superfície de bronze que resista à exposição à cavitação durante tempo suficiente para utilização marítima? Para responder a esta questão, os investigadores utilizaram um ensaio de erosão por cavitação baseado na ASTM G32-16 com um aparelho vibratório, incluindo um sistema vibratório ultrassónico Hielscher UIP1000hdT como sistema de ensaio.

Controlo preciso das condições de ensaio e registo automático de dados

O sonicador UIP1000hdT é adequado para este tipo de ensaio porque fornece ultrassons de elevada intensidade e baixa frequência na gama utilizada nos ensaios de erosão por cavitação. A montagem para ensaios de erosão por cavitação que utiliza o sonicador de 1000 watts funciona a 20 kHz e permite a monitorização precisa do processo, o controlo da amplitude, a medição da temperatura e o registo automático dos dados do ensaio. Estas funções são importantes porque a intensidade da cavitação depende fortemente da amplitude, da temperatura do líquido, da pressão do líquido, da geometria do sonotrodo e da distância entre o sonotrodo e o provete.

(a) Ensaio de erosão por cavitação segundo a ASTM G32-16 com o sonicador UIP1000hd (método indireto). Todos os parâmetros de ensaio são valores nominais; as tolerâncias estão indicadas na norma.
(b) Fases esquemáticas da curva erosão–tempo e parâmetros característicos do procedimento de ensaio.
Ilustrações e estudo: ©Hauer et al., 2021.

Ensaio ultrassónico de erosão por cavitação de revestimentos de bronze

No exemplo do revestimento de bronze para aplicações marítimas, o ensaio foi realizado na configuração indireta da ASTM G32. Nesta configuração, o provete não está fixado à corneta vibratória. Em vez disso, o sonotrodo ultrassónico gera cavitação em água destilada, e o provete revestido é fixado sob o sonotrodo a uma distância definida. Hauer et al. utilizaram uma distância de 0,5 mm entre a amostra e o sonotrodo, uma frequência de 20 kHz e uma amplitude pico a pico de 50 µm. O líquido de ensaio era água destilada, mantida aproximadamente à temperatura ambiente, cerca de 25 °C.

A preparação do provete é uma etapa crítica. Antes da exposição à cavitação, as superfícies revestidas foram desbastadas e polidas progressivamente, terminando com um abrasivo fino de diamante inferior a 4 µm. Isto reduz a influência de partículas pouco aderentes ou de irregularidades superficiais que, de outro modo, poderiam desprender-se imediatamente e distorcer a curva de erosão. O objetivo não é melhorar o aspeto do revestimento, mas criar uma condição inicial reprodutível, para que a perda de massa medida reflita a resistência à cavitação em vez de uma preparação deficiente da superfície.

O procedimento dos ensaios ultrassónicos de erosão por cavitação e os seus resultados

O procedimento prático de ensaio é simples. Primeiro, cada provete é limpo, seco e pesado numa balança de precisão. Em seguida, é montado na célula de ensaio sob o sonotrodo BS4d22 do sonicador UIP1000hdT, com a distância de 0,5 mm ajustada de forma cuidadosa e repetível. O sonicador funciona à amplitude e à frequência definidas, enquanto a temperatura do líquido é controlada para impedir que o aquecimento altere a intensidade da cavitação. Após um intervalo de exposição definido, o provete é retirado, limpo, seco e novamente pesado. Esta sequência é repetida com intervalos de exposição crescentes, dependentes do material, até se obter uma curva de erosão completa.
A medição bruta é a perda de massa. Para comparação em engenharia, esta perda de massa é convertida em perda de volume utilizando a densidade do material. A perda de volume é depois dividida pela área da superfície exposta para determinar a profundidade média de erosão. A partir da curva de profundidade de erosão, o investigador pode calcular parâmetros característicos de erosão, como a taxa máxima de erosão, a taxa terminal de erosão e a profundidade média de erosão. A Hielscher refere também que a erosão pode ser expressa em massa, volume ou profundidade de penetração por unidade de tempo ou por unidade de energia ultrassónica fornecida, dependendo do protocolo escolhido.

Profundidades médias de erosão em função dos parâmetros ajustados de qualidade do revestimento n. O recozimento do pó e a consequente redução da sua resistência mecânica permitem obter revestimentos de elevada qualidade. As imagens inseridas mostram os danos superficiais obtidos após um tempo de ensaio de cavitação de 100min.
Gráficos e estudo: ©Hauer et al., 2021.

Uma lição importante do estudo de Hauer é que as taxas iniciais de erosão podem ser enganadoras. Os revestimentos obtidos por projeção térmica e cinética apresentaram frequentemente uma elevada perda inicial de material, seguida de uma taxa de erosão mais baixa e mais estável. Por esta razão, Hauer et al. utilizaram a taxa terminal de erosão como indicador mais representativo do desempenho do revestimento a longo prazo. Na comparação de 120 minutos, a taxa terminal de erosão foi avaliada principalmente a partir da segunda metade do ensaio, após os 60 minutos, para caracterizar melhor o comportamento estabilizado.

Os resultados dos ensaios mostram por que razão um aparelho vibratório de cavitação controlado é valioso. O bronze de níquel-alumínio fundido atingiu uma taxa terminal de erosão de cerca de 0,40 µm/h. O bronze otimizado projetado a temperatura moderada atingiu 0,57 µm/h, próximo da referência fundida. Um revestimento otimizado projetado por arco sobre aço de construção naval atingiu cerca de 1,02 µm/h, enquanto um revestimento HVOF otimizado atingiu cerca de 1,74 µm/h. Mesmo quando estes revestimentos não igualaram totalmente o bronze fundido para hélices, superaram largamente o aço de construção naval; o estudo refere que os revestimentos projetados por arco e por HVOF alcançaram uma resistência à cavitação cerca de 26 vezes e 16 vezes superior, respetivamente, à do aço VL-A.

Utilize um sonicador como aparelho vibratório para os seus ensaios de erosão por cavitação

A conclusão prática é que os ensaios de erosão por cavitação com o sonicador UIP1000hdT como aparelho vibratório podem fazer mais do que classificar materiais. Revelam de que forma o processo de revestimento, a microestrutura, o teor de óxidos, a porosidade, a ligação na interface e o pós-tratamento afetam o comportamento real de erosão. Hauer et al. concluíram que a projeção HVOF e a projeção por arco podem oferecer um bom compromisso entre desempenho e custo para melhorar as superfícies dos lemes de aço, enquanto a projeção a frio e a projeção a temperatura moderada são preferidas quando é necessária uma resistência à cavitação próxima da do bronze maciço de níquel-alumínio.

Para os laboratórios e os responsáveis pelo desenvolvimento de revestimentos, a chave para resultados reprodutíveis é o controlo rigoroso dos parâmetros de ensaio: amplitude do sonotrodo, frequência, distância entre o sonotrodo e a amostra, temperatura do líquido, composição química do líquido, preparação do provete, intervalos de pesagem e cálculo da taxa de erosão. Com estas condições definidas, o Hielscher UIP1000hdT proporciona uma forma prática e repetível de converter a cavitação ultrassónica em dados quantitativos sobre o desempenho dos revestimentos.

Exemplo de ficha de registo para ensaios de erosão por cavitação

 
Pode encontrar aqui instruções para ensaios de erosão por cavitação!

Montagem para ensaios de erosão por cavitação ASTM G32

Os sonicadores UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT e UIP2000hdT são adequados para ensaios ASTM G32. Podemos fornecer cada uma destas unidades com um rigoroso protocolo de medição da amplitude da amplitude mecânica na ponta do sonotrodo. Recomendamos a utilização de qualquer um destes dispositivos com um sonotrodo BS4d22 (22mm de diâmetro) e um suporte ST2.

Sonotrodo de 15,9mm com ponta substituível ASTM G32 -16

Conceção, fabrico e consultoria – Qualidade fabricada na Alemanha

Os ultrasonicadores Hielscher são conhecidos pelos seus padrões de qualidade e conceção do mais elevado nível. A robustez e a facilidade de utilização permitem a integração sem dificuldades dos nossos ultrasonicadores em instalações industriais. Os ultrasonicadores Hielscher lidam facilmente com condições adversas e ambientes exigentes.

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa com certificação ISO e dá especial ênfase aos ultrasonicadores de elevado desempenho com tecnologia de ponta e facilidade de utilização. Naturalmente, os ultrasonicadores Hielscher estão em conformidade com os requisitos CE e cumprem os requisitos de UL, CSA e RoHs.

Bibliografia / Referências

• 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.