Testarea practică a eroziunii prin cavitație a acoperirilor din bronz marin

Testarea eroziunii prin cavitație este deosebit de utilă atunci când face legătura între o expunere controlată în laborator și o problemă reală de inginerie. Un exemplu practic îl reprezintă evaluarea acoperirilor din bronz rezistente la cavitație pentru componente maritime, cum ar fi cârme și elice de navă. Aceste piese funcționează în zone în care fluctuațiile locale de presiune pot genera bule de vapori care se sparg în apropierea suprafeței, creând sarcini de impact repetate de intensitate ridicată. În timp, acest fenomen produce coroziune punctiformă, deteriorare prin oboseală, defectarea acoperirii și pierderea de material.

Testul de eroziune prin cavitație al acoperirilor din bronz

În studiul realizat de Hauer et al., acoperirile din bronz obținute prin pulverizare la rece, pulverizare la cald, pulverizare HVOF și pulverizare cu arc electric au fost comparate cu bronzul de nichel-aluminiu turnat și cu oțelul utilizat în construcțiile navale. Întrebarea centrală era simplă: care proces de acoperire poate produce o suprafață de bronz care să reziste la expunerea la cavitație suficient de mult timp pentru a fi utilizată în mediul marin? Pentru a răspunde la această întrebare, cercetătorii au utilizat un test de eroziune prin cavitație bazat pe standardul ASTM G32-16, cu un aparat vibrator, incluzând un sistem vibrator cu ultrasunete Hielscher UIP1000hdT ca sistem de testare.

Controlul precis al condițiilor de testare și înregistrarea automată a datelor

Sonicatorul UIP1000hdT este foarte potrivit pentru acest tip de test, deoarece emite ultrasunete de intensitate ridicată și frecvență joasă, în intervalul utilizat pentru testarea eroziunii prin cavitație. Configurația de testare a eroziunii prin cavitație care utilizează sonicatorul de 1000 de wați funcționează la 20 kHz și permite monitorizarea precisă a procesului, controlul amplitudinii, măsurarea temperaturii și înregistrarea automată a datelor de testare. Aceste funcții sunt importante deoarece intensitatea cavitației depinde în mare măsură de amplitudine, de temperatura lichidului, de presiunea lichidului, de geometria sonotrodului și de distanța dintre sonotrod și probă.

(a) Testul de eroziune prin cavitație conform standardului ASTM G32-16, cu ajutorul sonicatorului UIP1000hd (metoda indirectă). Toți parametrii de testare sunt valori nominale; toleranțele sunt specificate în standard.
(b) Etapele schematice ale curbei eroziune-timp și parametrii caracteristici ai procedurii de testare.
Grafice și studiu: ©Hauer et al., 2021.

Testul de eroziune prin cavitație ultrasonică a acoperirilor din bronz

În cazul exemplului cu acoperirea din bronz marin, testul a fost realizat în configurația indirectă ASTM G32. În această configurație, proba nu este fixată de cornul vibrator. În schimb, sonotrodul ultrasonic generează cavitație în apă distilată, iar proba acoperită este fixată sub sonotrod la o distanță definită. Hauer et al. au utilizat o distanță de 0,5 mm între probă și sonotrod, o frecvență de 20 kHz și o amplitudine vârf-la-vârf de 50 µm. Lichidul de testare a fost apa distilată, menținută la aproximativ temperatura camerei, în jur de 25 °C.

Pregătirea probelor reprezintă o etapă critică. Înainte de expunerea la cavitație, suprafețele acoperite au fost șlefuite și lustruite în etape, folosind un abraziv fin cu diamant, până la o granulație sub 4 µm. Acest lucru reduce influența particulelor slab fixate sau a neregulilor de suprafață care, în caz contrar, s-ar putea desprinde imediat și ar distorsiona curba de eroziune. Scopul nu este acela de a conferi un aspect estetic acoperirii, ci de a crea o condiție inițială reproductibilă, astfel încât pierderea de masă măsurată să reflecte rezistența la cavitație, și nu o pregătire deficitară a suprafeței.

Procedura de testare a eroziunii prin cavitație ultrasonică și rezultatele acesteia

Procedura de testare practică este simplă. Mai întâi, fiecare probă este curățată, uscată și cântărită pe o balanță de precizie. Apoi, aceasta este montată în celula de testare sub sonotrodul BS4d22 al sonicatorului UIP1000hdT, cu distanța de 0,5 mm setată cu atenție și în mod repetabil. Aparatul de sonicare este pus în funcțiune la amplitudinea și frecvența definite, în timp ce temperatura lichidului este controlată pentru a preveni modificarea intensității cavitației din cauza încălzirii. După un interval de expunere definit, proba este scoasă, curățată, uscată și cântărită din nou. Această secvență se repetă pe intervale de expunere crescânde, dependente de material, până când se obține o curbă completă de eroziune.
Măsurătoarea brută este reprezentată de pierderea de masă. În scopul comparațiilor tehnice, această pierdere de masă este convertită în pierdere de volum folosind densitatea materialului. Pierderea de volum este apoi împărțită la suprafața expusă pentru a determina adâncimea medie de eroziune. Pe baza curbei de adâncime a eroziunii, cercetătorul poate calcula parametrii caracteristici ai eroziunii, precum rata maximă de eroziune, rata terminală de eroziune și adâncimea medie a eroziunii. Hielscher menționează, de asemenea, că eroziunea poate fi raportată ca masă, volum sau adâncime de penetrare pe unitate de timp sau pe unitate de energie ultrasonică furnizată, în funcție de protocolul ales.

Adâncimile medii de eroziune în funcție de parametrii ajustați ai calității stratului de acoperire n. Recoacerea pulberii și, prin urmare, reducerea rezistenței acesteia permit obținerea unor calități ridicate ale stratului de acoperire. Inserțiile ilustrează deteriorarea suprafeței obținută după o durată de testare prin cavitație de 100 min.
Grafice și studiu: ©Hauer et al., 2021.

O lecție importantă desprinsă din studiul lui Hauer este că ratele de eroziune inițiale pot fi înșelătoare. Acoperirile aplicate prin pulverizare termică și cinetică au prezentat adesea o pierdere inițială ridicată de material, urmată de o rată de eroziune mai scăzută și mai stabilă. Din acest motiv, Hauer și colaboratorii au utilizat rata de eroziune terminală ca indicator mai reprezentativ al performanței pe termen lung a acoperirii. În comparația lor de 120 de minute, rata de eroziune terminală a fost evaluată în principal pe baza celei de-a doua jumătăți a testului, după 60 de minute, pentru a surprinde mai bine comportamentul stabilizat.

Rezultatele testelor demonstrează de ce un aparat de cavitație vibratorie controlată este util. Bronzul de nichel-aluminiu turnat a atins o viteză finală de eroziune de aproximativ 0,40 µm/h. Bronzul pulverizat la cald, optimizat, a atins 0,57 µm/h, o valoare apropiată de cea a probei de referință turnate. Un strat optimizat aplicat prin pulverizare cu arc electric pe oțelul utilizat în construcțiile navale a atins aproximativ 1,02 µm/h, în timp ce un strat optimizat aplicat prin HVOF a atins aproximativ 1,74 µm/h. Chiar dacă aceste acoperiri nu au egalat pe deplin bronzul turnat pentru elice, ele au depășit cu mult oțelul utilizat în construcțiile navale; studiul arată că acoperirile pulverizate prin arc electric și prin HVOF au atins o rezistență la cavitație de aproximativ 26 de ori, respectiv 16 ori mai bună decât oțelul VL-A.

Folosiți un sonicator ca aparat vibrator pentru testele dvs. de eroziune prin cavitație

Concluzia practică este că testarea eroziunii prin cavitație cu ajutorul sonicatorului UIP1000hdT, utilizat ca aparat vibrator, nu se limitează doar la clasificarea materialelor. Aceasta relevă modul în care procesul de acoperire, microstructura, conținutul de oxid, porozitatea, aderența la interfață și post-tratamentul influențează comportamentul real la eroziune. Hauer et al. au concluzionat că pulverizarea HVOF și cea cu arc electric pot oferi un compromis excelent între performanță și cost pentru îmbunătățirea suprafețelor cârmei din oțel, în timp ce pulverizarea la rece și la cald sunt preferate atunci când este necesară o rezistență la cavitație apropiată de cea a bronzului de nichel-aluminiu masiv.

Pentru laboratoare și dezvoltatorii de acoperiri, cheia obținerii unor rezultate reproductibile o reprezintă controlul strict al parametrilor de testare: amplitudinea sonotrodului, frecvența, distanța dintre sonotrod și probă, temperatura lichidului, compoziția chimică a lichidului, pregătirea probei, intervalele de cântărire și calculul ratei de eroziune. Odată definite aceste condiții, aparatul Hielscher UIP1000hdT oferă o metodă practică și repetabilă de a transforma cavitația ultrasonică în date cantitative privind performanța acoperirii.

Exemplu de foaie de lucru pentru testarea eroziunii cavitației

 
Aici puteți găsi instrucțiuni pentru testele de eroziune prin cavitație!

Configurația pentru testul de eroziune prin cavitație conform standardului ASTM G32

Aparatele de ultrasonicare UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT și UIP2000hdT sunt adecvate pentru testarea conform standardului ASTM G32. Putem furniza fiecare dintre aceste aparate împreună cu un Protocol de măsurare a amplitudinii a amplitudinii mecanice la vârful sonotrodului. Vă recomandăm să utilizați oricare dintre aceste dispozitive împreună cu un sonotrod BS4d22 (cu diametrul de 22 mm) și un suport ST2.

ASTM G32 -16 Sonotrode de 15.9mm cu vârf înlocuibil

Proiectare, fabricație și consultanță – Calitate Made in Germany

Hielscher ultrasonicators sunt bine-cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și funcționarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicators noastre în instalații industriale. Condiții dure și medii solicitante sunt ușor de manipulat de ultrasonicators Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicators de înaltă performanță cu tehnologie de ultimă oră și ușurință în utilizare. Desigur, ultrasonicators Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.

Literatură / Referințe