Ensaios de erosão por cavitação

A erosão por cavitação ocorre em superfícies de materiais que são expostas a cavitação ultra-sónica intensa. O ensaio de erosão por cavitação é um método rápido para medir a resistência à erosão de materiais ou revestimentos a tensões intensas e outros factores de erosão. Proporciona uma medição quantitativa fácil para o controlo de qualidade e é útil durante a investigação de materiais ou a formulação de revestimentos.

Porquê utilizar o ensaio de erosão por cavitação?

A erosão ou corrosão contínuas podem exigir a substituição regular de peças ou a renovação de revestimentos de superfície. A erosão da superfície do material devido a influências mecânicas ou químicas é um processo lento que resulta na destruição gradual das superfícies do material. Por conseguinte, a avaliação da resistência à erosão do material ou do efeito de erosão de líquidos e lamas pode ser um processo muito moroso.
O ensaio de erosão por cavitação ultra-sónica expõe a superfície do material a ciclos de tensão controlados, intensos e repetidos. Isto resulta numa erosão significativa da superfície do material num curto espaço de tempo. É possível medir rapidamente a resistência à erosão para o controlo regular da qualidade na produção, para a avaliação de materiais recebidos ou durante a investigação e desenvolvimento.
As aplicações padrão 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 provoca a erosão da superfície?

Os dispositivos ultra-sónicos, como o UP400St (400 watts, 24kHz) ou o UIP1000hdT (1000 watts, 20kHz) acoplam vibrações ultra-sónicas em líquidos, como a água. O rápido movimento recíproco da vibração no líquido produz e colapsa bolhas de cavitação. Quando as bolhas colapsam, ocorre uma elevada tensão mecânica localizada no líquido e nas superfícies expostas do material. Jactos de líquido de até 1000km/h e pressões locais de até 1000atm levam a uma fadiga rápida na superfície do material. Isto pode remover camadas de óxido ou de passivação, revestimentos ou incrustações. Pode provocar a perfuração de materiais sólidos, como o aço, o titânio, o alumínio, o plástico ou o vidro. Por conseguinte, o ensaio de erosão por cavitação é um método de ensaio destrutivo.

Como funciona o ensaio de erosão por cavitação?

A erosão por cavitação das superfícies dos materiais provoca 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 mudança de peso típica para um teste de erosão por cavitação é entre 1 e 30mg. Para uma maior padronização, é possível 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 de superfície da amostra. Em alternativa, pode medir a profundidade de perfuração ou o volume deslocado. É possível utilizar a análise microscópica para obter informações qualitativas adicionais sobre o padrão de erosão.
Quando se utiliza um dispositivo ultrassónico Hielscher para o ensaio de erosão por cavitação, é possível predefinir a gama de temperaturas e a gama de pressões com que se pretende trabalhar. Pode ajustar a amplitude da sonicação. Todos os parâmetros são monitorizados, apresentados e registados num cartão SD. Não é necessária a instalação de qualquer software proprietário. Se desejar, pode controlar e monitorizar o processo ultrassónico a partir do seu navegador de Internet normal, se ligar o dispositivo ultrassónico ao seu computador através do cabo ethernet (incluído).

O que é o método padrão ASTM G32 para erosão por cavitação usando um aparelho vibratório?

A norma ASTM G32-16 descreve um método normalizado para a erosão por cavitação. Define um teste simples, controlável e reprodutível para quantificar e comparar a resistência à erosão por cavitação de diferentes materiais. As especificações ATSM G32-16 são úteis para a comparação dos seus resultados com os de outras publicações. Se pretender implementar o ensaio 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 prazer em ajudá-lo com a conceção de um protocolo de teste de erosão por cavitação personalizado. Para obter mais informações sobre os ensaios de erosão por cavitação em conformidade com a norma ASTM-G32, clique aqui!

Por que razão devo utilizar um limite de energia em vez de um limite de tempo?

Muitas publicações e protocolos de teste de erosão especificam um tempo de exposição à cavitação. Nos dispositivos ultra-sónicos Hielscher, é possível predefinir um tempo de sonicação e o sistema parará após esse tempo ter passado. Pode então calcular a taxa de erosão por cavitação resultante em mm/hora ou mm3/hora. Um limite de tempo é aceitável, apenas se não alterar quaisquer parâmetros, tais como o nível do líquido, amplitude, pressão, temperatura, composição do líquido ou espaço entre o sonotrodo e a superfície do material. Se algum destes parâmetros mudar, o mesmo acontecerá com a potência da sonicação e a intensidade da cavitação. É importante que a potência líquida real fornecida ao líquido não flutue durante a duração do teste.
Nos aparelhos de ultra-sons Hielscher é possível definir um limite de energia. Neste caso, o dispositivo ultrassónico pára depois de ter fornecido a energia ultra-sónica especificada. O dispositivo Hielscher apresenta e regista parâmetros, como a potência líquida real, a amplitude, a pressão e a temperatura do líquido. As flutuações na potência ou as alterações deliberadas nos parâmetros serão 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 a amostra entre os intervalos de erosão por cavitação, pode gerar uma curva que mostra a perda de peso marginal (taxa de perda de peso em cada intervalo de energia) sobre a energia acumulada.
Para obter resultados mais precisos, o dispositivo pode efetuar uma calibração automática (30 segundos). Este procedimento 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 padrão para testes de erosão por cavitação utilizam a cavitação ultra-sónica à pressão ambiente. A pressão do líquido é o segundo fator mais importante para a intensidade da sonicação. Um aumento de 10% na pressão ambiente aumentará a intensidade da sonicação em cerca de 10%. Uma cavitação mais intensa reduz o tempo necessário para atingir um certo grau de erosão por cavitação. Muitas vezes, o teste de um único espécime pode levar de 15 a 120 minutos. Se tiver muitos espécimes para testar, trabalhar a pressões mais elevadas pode reduzir significativamente o tempo de cada teste. Os testes a 5 barg (73psig) requerem aproximadamente 80% menos tempo para cada teste.
A Hielscher fornece células de teste estanques à pressão com um sensor de pressão digital para testes de erosão por cavitação. Utilizando uma célula estanque à pressão, é possível controlar e manter a pressão durante cada teste. O gerador ultrassónico monitoriza constantemente o sensor de pressão e protocola a pressão real num ficheiro CSV compatível com Excel num cartão SD (incluído). A Hielscher fornece reguladores de pressão para definir e manter a pressão de funcionamento.
Como padrão, as células de teste estanques à pressão da Hielscher para testes de erosão por cavitação são classificadas para até 5barg (73psig). Estão disponíveis pressões mais elevadas até 300 barg (4350 psig) mediante pedido.

frequência ultra-sónica

Em geral, os ensaios de erosão por cavitação utilizam ultra-sons 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 do sonotrodo

O material a ser testado pode ser montado no sonotrodo ou sob o sonotrodo. É possível fazer uma amostra de material roscado e montá-la na extremidade do sonotrodo ultrassónico. Neste caso, a amostra vibra à amplitude ultra-sónica especificada e produz cavitação na sua superfície. Isto requer maquinação de precisão e nem todos os materiais são adequados para esta opção.
Alternativamente, é possível fixar uma peça ou amostra em estreita proximidade sob um sonotrodo de titânio. Neste caso, o sonotrodo de titânio produz a cavitação e a superfície do material é exposta à cavitação. Esta é a opção mais conveniente, pois é possível colocar amostras de vários tamanhos ou formas na célula de teste. Se você usar um sonotrodo maior, como um sonotrodo de 50mm ou 80mm de diâmetro, você pode expor múltiplas partes à erosão por cavitação ao mesmo tempo. Isto é muito útil quando se tem de testar muitas peças por dia, por exemplo, para controlo de qualidade.
Em ambos os casos, a distância entre o sonotrodo ultrassónico e a superfície do material junto a ele é muito importante. Em geral, a erosão por cavitação é mais rápida quando se utiliza uma distância menor. As distâncias típicas variam de 0,2 a 15 mm. Para resultados conclusivos, deve-se usar a mesma distância para todos os testes.

Temperatura do líquido

Um líquido mais quente resulta numa menor intensidade de cavitação ultra-sónica. A entrada de energia de vibração mecânica no líquido fará com que o líquido aqueça. Para manter uma temperatura constante durante cada teste de erosão por cavitação, o líquido precisa de ser arrefecido. A Hielscher fornece recipientes encamisados e células estanques à pressão encamisadas. Em alternativa, pode-se utilizar uma serpentina de arrefecimento num copo ou colocar o copo num banho de gelo. Um líquido de arrefecimento que passa pela camisa ou pela serpentina de arrefecimento remove o calor do líquido.
Os dispositivos ultra-sónicos Hielscher, tais como o UP400St ou o UIP1000hdT vêm com uma sonda de temperatura PT100 (incluída). O gerador de ultra-sons monitoriza continuamente a temperatura real do líquido e protocola a temperatura para um ficheiro CSV compatível com Excel num cartão SD (incluído). Pode configurar o gerador para fazer uma pausa no teste de erosão por cavitação se a temperatura do líquido se desviar demasiado do seu ponto de ajuste, por exemplo, devido a uma capacidade de arrefecimento insuficiente. O gerador pode retomar a sonicação automaticamente quando o líquido atingir novamente a temperatura especificada.

Líquido Cavitante

Em geral, o ensaio de erosão por cavitação utiliza água, tal como água destilada. Diferentes líquidos mostram diferentes caraterísticas de cavitação. Se a água for corrosiva para o seu material, poderá querer testar líquidos alternativos, tais como óleos de silicone de baixa viscosidade ou solventes orgânicos, de modo a 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 o teste de erosão por cavitação para avaliar a erosividade e corrosividade de líquidos, tais como lamas de perfuração ou para avaliar a eficácia dos inibidores de corrosão ou erosão.

Maquinação

Quando se fabrica uma peça ou uma amostra, a maquinagem CNC, a retificação ou o polimento causam danos na estrutura do grão junto à superfície do material. Isto reduz a resistência à erosão.

Camadas de passivação/óxido

Muitas vezes, a erosão e a corrosão ocorrem ao mesmo tempo. A água, tal como a água destilada, desmineralizada ou desionizada, pode ser corrosiva para muitos materiais. A cavitação ultra-sónica 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 tem o ensaio de erosão por cavitação?

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