Ensaios práticos de erosão por cavitação em revestimentos de bronze marinho

Os ensaios de erosão por cavitação revelam-se mais úteis quando associam uma exposição controlada em laboratório a um problema de engenharia real. Um exemplo prático é a avaliação de revestimentos de bronze resistentes à cavitação para componentes marítimos, tais como lemes e hélices de navios. Estas peças operam em zonas onde as flutuações locais de pressão podem gerar bolhas de vapor que colapsam perto da superfície, criando cargas de impacto repetidas de alta intensidade. Com o tempo, isto provoca corrosão por pite, danos por fadiga, falha do revestimento e perda de material.

Ensaio de erosão por cavitação em revestimentos de bronze

No estudo de Hauer et al., foram comparados revestimentos de bronze produzidos por pulverização a frio, pulverização a quente, pulverização HVOF e pulverização por arco com bronze de níquel-alumínio fundido e aço para construção naval. A questão central era simples: qual o processo de revestimento capaz de produzir uma superfície de bronze que resista à exposição à cavitação durante um período de tempo suficiente para o serviço marítimo? Para responder a esta questão, os investigadores utilizaram um ensaio de erosão por cavitação baseado na norma 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 automatizado de dados

O sonicador UIP1000hdT é ideal para este tipo de ensaio, uma vez que emite ultrassons de alta intensidade e baixa frequência na gama utilizada para ensaios de erosão por cavitação. A configuração do ensaio de erosão por cavitação, que utiliza o sonicador de 1000 watts, opera a 20 kHz e permite uma monitorização precisa do processo, controlo da amplitude, medição da temperatura e 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 a amostra.

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

Ensaio de erosão por cavitação ultrassónica em revestimentos de bronze

No caso do revestimento de bronze marinho, o ensaio foi realizado na disposição indireta da norma ASTM G32. Nesta configuração, a amostra não é fixada ao corno vibratório. Em vez disso, o sonotrodo ultrassónico gera cavitação em água destilada, e a amostra revestida é fixada por baixo do 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 foi água destilada, mantida a aproximadamente temperatura ambiente, em torno dos 25 °C.

A preparação das amostras é uma etapa crítica. Antes da exposição à cavitação, as superfícies revestidas foram esmeriladas e polidas por etapas, utilizando um abrasivo de diamante fino com granulometria inferior a 4 µm. Isto reduz a influência de partículas mal fixadas ou de irregularidades superficiais que, de outra forma, poderiam desprenderse imediatamente e distorcer a curva de erosão. O objetivo não é melhorar o aspeto do revestimento, mas sim criar uma condição inicial reprodutível, de modo a que a perda de massa medida reflita a resistência à cavitação e não uma má preparação da superfície.

O procedimento do ensaio de erosão por cavitação ultrassónica e os seus resultados

O procedimento do ensaio prático é simples. Em primeiro lugar, cada amostra é limpa, seca e pesada numa balança de precisão. Em seguida, é colocada na célula de ensaio por baixo do sonotrodo BS4d22 do sonicador UIP1000hdT, com a distância de 0,5 mm definida de forma cuidadosa e repetível. O sonicador é operado na amplitude e frequência definidas, enquanto a temperatura do líquido é controlada para evitar que o aquecimento altere a intensidade da cavitação. Após um intervalo de exposição definido, a amostra é removida, limpa, seca e pesada novamente. Esta sequência é repetida ao longo de intervalos de exposição crescentes, dependentes do material, até se obter uma curva de erosão completa.
A medição bruta é a perda de massa. Para efeitos de comparação em engenharia, esta perda de massa é convertida em perda de volume utilizando a densidade do material. A perda de volume é então dividida pela área de superfície exposta para determinar a profundidade média de erosão. A partir da curva de profundidade de erosão, o investigador pode calcular parâmetros característicos da erosão, tais como a taxa máxima de erosão, a taxa terminal de erosão e a profundidade média de erosão. Hielscher refere ainda que a erosão pode ser expressa em termos de massa, volume ou profundidade de penetração por unidade de tempo ou por energia ultrassónica aplicada, 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 resistência do pó permitem alcançar elevadas qualidades de revestimento. As imagens mostram os danos superficiais obtidos após um tempo de ensaio de cavitação de 100 min.
Gráficos e estudo: ©Hauer et al., 2021.

Uma lição importante do estudo de Hauer é que as taxas de erosão iniciais podem ser enganadoras. Os revestimentos aplicados por pulverização 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 de erosão terminal como um indicador mais representativo do desempenho a longo prazo do revestimento. Na sua comparação de 120 minutos, a taxa de erosão terminal foi avaliada principalmente a partir da segunda metade do ensaio, após os 60 minutos, para captar melhor o comportamento estabilizado.

Os resultados dos testes demonstram a importância de um aparelho de cavitação vibratória controlada. O bronze de níquel-alumínio fundido atingiu uma taxa de erosão final de cerca de 0,40 µm/h. O bronze otimizado aplicado por pulverização a quente atingiu 0,57 µm/h, um valor próximo do da amostra de referência fundida. Um revestimento otimizado aplicado por pulverização a arco sobre aço para 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 da hélice, superaram drasticamente o aço para construção naval; o estudo indica que os revestimentos aplicados por arco elétrico 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 vão além da simples classificação dos materiais. Revelam como o processo de revestimento, a microestrutura, o teor de óxido, a porosidade, a ligação na interface e o pós-tratamento afetam o comportamento real da erosão. Hauer et al. concluíram que a pulverização HVOF e a pulverização por arco podem oferecer um bom equilíbrio entre desempenho e custo para melhorar as superfícies dos lemes de aço, enquanto a pulverização a frio e a quente são preferíveis quando é necessária uma resistência à cavitação próxima da do bronze de níquel-alumínio maciço.

Para laboratórios e desenvolvedores de revestimentos, a chave para obter resultados reprodutíveis reside no 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 da amostra, intervalos de pesagem e cálculo da taxa de erosão. Com estas condições definidas, o Hielscher UIP1000hdT oferece uma forma prática e repetível de traduzir a cavitação ultrassónica em dados quantitativos sobre o desempenho do revestimento.

Exemplo de ficha de trabalho para o ensaio de erosão por cavitação

 
Pode encontrar aqui as instruções para os ensaios de erosão por cavitação!

Configuração do ensaio de erosão por cavitação segundo a norma ASTM G32

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

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

Conceção, fabrico e consultoria – Qualidade fabricada na Alemanha

Os ultrassons Hielscher são conhecidos pelos seus elevados padrões de qualidade e design. A robustez e a facilidade de operação permitem a integração harmoniosa dos nossos ultrassons nas instalações industriais. As condições difíceis e os ambientes exigentes são facilmente controlados pelos ultrassons Hielscher.

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa certificada pela ISO e dá especial ênfase aos ultrassons de alto desempenho com tecnologia de ponta e facilidade de utilização. Naturalmente, os ultrassons da Hielscher estão em conformidade com a CE e cumprem os requisitos da UL, CSA e RoHs.

Literatura / Referências