Ensaios de erosão por cavitação

A erosão por cavitação ocorre nas superfícies de materiais expostas a cavitação ultrassónica intensa. Os ensaios de erosão por cavitação são um método rápido para medir a resistência de materiais ou revestimentos à erosão causada por tensões intensas e outros fatores de erosão. Proporcionam uma medição quantitativa simples para o controlo de qualidade e são úteis durante a investigação de materiais ou a formulação de revestimentos.

Porquê utilizar ensaios de erosão por cavitação?

A erosão ou corrosão contínua pode exigir a substituição regular de peças ou a renovação dos revestimentos superficiais. A erosão da superfície dos materiais devido a influências mecânicas ou químicas é um processo lento que resulta na destruição gradual das superfícies dos materiais. Por conseguinte, a avaliação da resistência dos materiais à erosão ou do efeito erosivo de líquidos e suspensões pode ser um processo muito demorado.
Os ensaios de erosão por cavitação ultrassónica expõem a superfície do material a ciclos de tensão controlados, intensos e repetidos. Isto resulta numa erosão significativa da superfície do material num curto período de tempo. Pode medir rapidamente a resistência à erosão para o controlo de qualidade regular na produção, para a avaliação dos materiais recebidos ou durante a investigação e desenvolvimento.
As aplicações habituais incluem ensaios metalúrgicos, ensaios de formulação de revestimentos, ensaios de aplicação de revestimentos ou a avaliação de inibidores de erosão em líquidos.

Porque é que a cavitação causa erosão superficial?

Os dispositivos ultrassónicos, como o UP400St (400 watts, 24kHz) ou o UIP1000hdT (1000 watts, 20kHz), acoplam vibrações ultrassónicas a líquidos, como a água. O movimento alternado rápido da vibração no líquido produz bolhas de cavitação e provoca o seu colapso. Quando as bolhas colapsam, surgem tensões mecânicas localizadas elevadas no líquido e nas superfícies dos materiais expostas. Jatos de líquido de até 1000km/h e pressões locais de até 1000atm provocam fadiga rápida na superfície do material. Isto pode remover camadas de óxido ou de passivação, revestimentos ou incrustações. Pode causar a formação de picaduras em materiais sólidos, como aço, titânio, alumínio, plástico ou vidro. Assim, os ensaios de erosão por cavitação são um método de ensaio destrutivo.

Como funcionam os ensaios de erosão por cavitação?

A erosão por cavitação das superfícies dos materiais causa uma perda gradual de material. Pode medir facilmente a perda de material pesando o material numa balança de precisão antes e depois de uma exposição definida à erosão por cavitação. Uma variação de peso típica num ensaio de erosão por cavitação situa-se entre 1 e 30mg. Para uma maior normalização, pode calcular a perda de volume dividindo a perda de peso pela densidade do material. A profundidade média de penetração (MDP) é calculada dividindo a perda de volume pela área da superfície do provete. Em alternativa, pode medir a profundidade das picaduras ou o volume deslocado. Pode utilizar a análise microscópica para obter informação qualitativa adicional sobre o padrão de erosão.
Quando utiliza um dispositivo ultrassónico Hielscher para os ensaios de erosão por cavitação, pode predefinir o intervalo de temperatura e o intervalo de pressão em que pretende trabalhar. Pode ajustar a amplitude de sonicação. Todos os parâmetros são monitorizados, apresentados e registados num cartão SD. Não necessita de instalar qualquer software proprietário. Se desejar, pode controlar e monitorizar o processo ultrassónico a partir do seu navegador Web habitual, ligando o dispositivo ultrassónico ao computador através do cabo Ethernet (incluído).

Qual é o método normalizado ASTM G32 para a erosão por cavitação utilizando um aparelho vibratório?

A norma ASTM G32-16 descreve um método normalizado para a erosão por cavitação. Define um ensaio simples, controlável e reprodutível para quantificar e comparar a resistência de diferentes materiais à erosão por cavitação. As especificações ATSM G32-16 são úteis para comparar os seus resultados com os de outras publicações. Se pretender implementar ensaios de erosão por cavitação no controlo de qualidade, recomendamos que adapte o protocolo de ensaio de erosão por cavitação aos seus requisitos específicos. Teremos todo o gosto em ajudá-lo a conceber um protocolo de ensaio de erosão por cavitação personalizado. Para mais informações sobre os ensaios de erosão por cavitação em conformidade com a norma ASTM-G32, clique aqui!

Porque devo utilizar um limite de energia em vez de um limite de tempo?

Muitas publicações e protocolos de ensaio de erosão especificam um tempo de exposição à cavitação. Nos dispositivos ultrassónicos Hielscher, pode predefinir um tempo de sonicação e o sistema para após esse tempo ter decorrido. Pode então calcular a taxa de erosão por cavitação resultante em mm/hr ou mm3/hr. Um limite de tempo só é aceitável se não alterar quaisquer parâmetros, como o nível do líquido, a amplitude, a pressão, a temperatura, a composição do líquido ou a distância entre o sonotrodo e a superfície do material. Se algum destes parâmetros se alterar, a potência de sonicação e a intensidade da cavitação também se alterarão. É importante que a potência líquida efetivamente transmitida ao líquido não flutue durante o ensaio.
Nos dispositivos ultrassónicos Hielscher, pode definir um limite de energia. Neste caso, o dispositivo ultrassónico para após ter transmitido a energia ultrassónica especificada. O dispositivo Hielscher apresenta e regista parâmetros como a potência líquida efetiva, a amplitude, a pressão e a temperatura do líquido. As flutuações de potência ou as alterações deliberadas dos parâmetros são compensadas quando se utiliza um limite de energia. Pode então especificar a taxa de erosão por cavitação resultante em mm/kWhr, mm3/kWhr ou mg/kWhr.
Se pesar o provete entre os intervalos de erosão por cavitação, pode gerar uma curva que apresenta a perda de peso marginal (taxa de perda de peso em cada intervalo de energia) em função da energia acumulada.
Para obter resultados mais precisos, o dispositivo pode efetuar uma calibração automática (30 segundos). Esta mede a potência para todas as definições de amplitude no ar à pressão ambiente. O dispositivo Hielscher utiliza estes dados de calibração para fornecer valores de potência líquida muito precisos em tempo real.

Pressão do líquido durante a sonicação

Muitos protocolos normalizados para ensaios de erosão por cavitação utilizam cavitação ultrassónica à pressão ambiente. A pressão do líquido é o segundo fator mais importante para a intensidade de sonicação. Um aumento de 10% na pressão ambiente aumenta a intensidade de sonicação em cerca de 10%. Uma cavitação mais intensa reduz o tempo necessário para atingir um determinado grau de erosão por cavitação. Frequentemente, o ensaio de um único provete pode demorar entre 15 e 120 minutos. Se tiver muitos provetes para ensaiar, trabalhar a pressões mais elevadas pode reduzir significativamente o tempo de cada ensaio. Os ensaios a 5 barg (73psig) requerem aproximadamente menos 80% de tempo por ensaio.
A Hielscher fornece células de ensaio estanques à pressão com um sensor de pressão digital para ensaios de erosão por cavitação. Utilizando uma célula estanque à pressão, pode controlar e manter a pressão durante cada ensaio. O gerador ultrassónico monitoriza constantemente o sensor de pressão e regista a pressão efetiva num ficheiro CSV compatível com Excel num cartão SD (incluído). A Hielscher fornece reguladores de pressão para definir e manter a pressão de funcionamento.
Na versão padrão, as células de ensaio Hielscher estanques à pressão para ensaios de erosão por cavitação estão classificadas para pressões até 5barg (73psig). Estão disponíveis, mediante pedido, pressões mais elevadas de até 300barg (4350psig).

Frequência ultrassónica

Em geral, os ensaios de erosão por cavitação utilizam ultrassons de baixa frequência e alta intensidade na gama de 18–30kHz. Nesta gama, a variação da frequência tem um efeito muito limitado na intensidade da cavitação. Todos os dispositivos Hielscher funcionam a uma frequência constante.

Distância ao sonotrodo

O material a ensaiar pode ser montado no sonotrodo ou por baixo do sonotrodo. Pode fabricar um provete roscado do material e montá-lo na extremidade do sonotrodo ultrassónico. Neste caso, o provete vibra à amplitude ultrassónica especificada e produz cavitação na sua superfície. Isto requer maquinação de precisão e nem todos os materiais são adequados para esta opção.
Em alternativa, pode fixar uma peça ou um provete muito próximo, por baixo de um sonotrodo de titânio. Neste caso, o sonotrodo de titânio produz a cavitação e a superfície do material fica exposta à cavitação. Esta é a opção mais prática, pois pode colocar provetes de vários tamanhos ou formas na célula de ensaio. Se utilizar um sonotrodo maior, como um sonotrodo com 50mm ou 80mm de diâmetro, pode expor várias peças à erosão por cavitação ao mesmo tempo. Isto é muito útil quando tem de ensaiar muitas peças por dia, por exemplo, para o controlo de qualidade.
Em ambos os casos, a distância entre o sonotrodo ultrassónico e a superfície do material adjacente é muito importante. Em geral, a erosão por cavitação é mais rápida quando se utiliza uma distância menor. As distâncias típicas variam entre 0,2 e 15mm. Para obter resultados conclusivos, deve utilizar a mesma distância em todos os ensaios.

Temperatura do líquido

Um líquido mais quente resulta numa menor intensidade de cavitação ultrassónica. A introdução de energia de vibração mecânica no líquido provoca o seu aquecimento. Para manter uma temperatura constante durante cada ensaio de erosão por cavitação, é necessário arrefecer o líquido. A Hielscher fornece recipientes com camisa e células estanques à pressão com camisa. Em alternativa, pode utilizar uma serpentina de arrefecimento num copo de laboratório ou colocar o copo num banho de gelo. Um fluido de arrefecimento que circula pela camisa ou pela serpentina de arrefecimento retira calor do líquido.
Os dispositivos ultrassónicos Hielscher, como o UP400St ou o UIP1000hdT, são fornecidos com uma sonda de temperatura PT100 (incluída). O gerador ultrassónico monitoriza continuamente a temperatura efetiva do líquido e regista a temperatura num ficheiro CSV compatível com Excel num cartão SD (incluído). Pode configurar o gerador para suspender os ensaios de erosão por cavitação se a temperatura do líquido se desviar demasiado do valor definido, por exemplo, devido a uma capacidade de arrefecimento insuficiente. O gerador pode retomar automaticamente a sonicação quando o líquido voltar a atingir a temperatura especificada.

Líquido em cavitação

Em geral, os ensaios de erosão por cavitação utilizam água, como água destilada. Diferentes líquidos apresentam diferentes características de cavitação. Se a água for corrosiva para o seu material, poderá querer ensaiar líquidos alternativos, como óleos de silicone de baixa viscosidade ou solventes orgânicos, para eliminar ou reduzir o fator corrosivo. Em alternativa, pode tornar o líquido mais corrosivo, por exemplo, alterando o pH, ou mais abrasivo, adicionando partículas abrasivas. Pode utilizar ensaios de erosão por cavitação para avaliar a erosividade e a corrosividade de líquidos, como lamas de perfuração, ou para avaliar a eficácia de inibidores de corrosão ou de erosão.

Maquinação

Quando fabrica uma peça ou um provete, a maquinação CNC, a retificação ou o polimento causam danos na estrutura dos grãos junto à superfície do material. Isto reduz a resistência à erosão.

Camadas de passivação/óxido

Muito frequentemente, a erosão e a corrosão ocorrem ao mesmo tempo. A água, como a água destilada, desmineralizada ou desionizada, pode ser corrosiva para muitos materiais. A cavitação ultrassónica promove a corrosão. As camadas de passivação, por exemplo, no alumínio anodizado, aumentam a resistência da superfície de um material à erosão e à corrosão.

Que limitações têm os ensaios de erosão por cavitação?

Alguns elastómeros podem exigir uma exposição a cavitação muito intensa para apresentar qualquer erosão por cavitação. Neste caso, a sonicação sem uma célula pressurizada pode não apresentar qualquer efeito mensurável.