Testarea practică a eroziunii prin cavitație a acoperirilor marine din bronz

Testarea eroziunii prin cavitație este cea mai utilă atunci când leagă o expunere controlată în laborator de o problemă inginerească reală. Un exemplu practic este evaluarea acoperirilor din bronz rezistente la cavitație pentru componente maritime, precum cârmele și elicele navelor. Aceste piese funcționează în zone în care fluctuațiile locale de presiune pot genera bule de vapori care implodează în apropierea suprafeței, producând sarcini de impact repetate, de intensitate ridicată. În timp, acest lucru duce la formarea de ciupituri, deteriorare prin oboseală, cedarea acoperirii și pierdere de material.

Testul de eroziune prin cavitație a acoperirilor din bronz

În studiul realizat de Hauer et al., acoperirile din bronz obținute prin pulverizare la rece, pulverizare caldă, pulverizare HVOF și pulverizare cu arc electric au fost comparate cu bronzul turnat cu nichel și aluminiu și cu oțelul pentru construcții navale. Întrebarea centrală era simplă: ce proces de acoperire poate produce o suprafață din bronz care să reziste la expunerea la cavitație suficient de mult pentru serviciul marin? Pentru a răspunde la ea, cercetătorii au utilizat un test de eroziune prin cavitație bazat pe ASTM G32-16 cu un aparat vibrator, inclusiv 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 furnizează ultrasunete de intensitate ridicată și frecvență joasă, în domeniul utilizat pentru testarea eroziunii prin cavitație. Configurația de test pentru eroziunea prin cavitație care utilizează sonicatorul de 1000 de wați funcționează la 20 kHz și permite monitorizarea precisă a procesului, controlul amplitudinii, măsurarea temperaturii și protocolarea automată a datelor de testare. Aceste funcții sunt importante deoarece intensitatea cavitației depinde în mare măsură de amplitudine, temperatura lichidului, presiunea lichidului, geometria sonotrodei și distanța dintre sonotrodă și probă.

(a) Test de eroziune prin cavitație conform ASTM G32-16 cu sonicatorul UIP1000hd (metoda indirectă). Toți parametrii de testare sunt valori nominale; toleranțele sunt enumerate în standard.
(b) Fazele schematice ale curbei eroziune-timp și parametrii caracteristici din procedura de testare.
Grafică și studiu: ©Hauer et al., 2021.

Testul de eroziune prin cavitație cu ultrasunete a acoperirilor din bronz

Pentru exemplul acoperirii marine din bronz, testul a fost efectuat în configurația indirectă ASTM G32. În această configurație, proba nu este fixată pe sonotroda care vibrează. În schimb, sonotroda ultrasonică generează cavitație în apă distilată, iar proba acoperită este fixată sub sonotrodă, la o distanță definită. Hauer et al. au utilizat o distanță de 0,5 mm între probă și sonotrodă, o frecvență de 20 kHz și o amplitudine vârf-la-vârf de 50 µm. Lichidul de testare a fost apă distilată, menținută aproximativ la temperatura camerei, în jur de 25 °C.

Pregătirea probelor este o etapă critică. Înainte de expunerea la cavitație, suprafețele acoperite au fost șlefuite și lustruite în etape, până la un abraziv fin de diamant sub 4 µm. Acest lucru reduce influența particulelor slab aderente sau a neregularităților de suprafață care altfel s-ar putea desprinde imediat și ar distorsiona curba de eroziune. Scopul nu este ca acoperirea să arate bine, ci crearea unei stări inițiale reproductibile, astfel încât pierderea de masă măsurată să reflecte rezistența la cavitație, și nu o pregătire deficitară a suprafeței.

Procedura testării eroziunii prin cavitație cu ultrasunete și rezultatele acesteia

Procedura practică de testare este simplă. Mai întâi, fiecare probă este curățată, uscată și cântărită pe o balanță de precizie. Apoi este montată în celula de testare sub sonotroda BS4d22 a sonicatorului UIP1000hdT, cu distanța de 0,5 mm setată cu atenție și în mod reproductibil. Sonicatorul funcționează la amplitudinea și frecvența definite, în timp ce temperatura lichidului este controlată pentru a împiedica încălzirea să modifice intensitatea cavitației. După un interval de expunere definit, proba este scoasă, curățată, uscată și cântărită din nou. Această secvență se repetă la intervale de expunere crescătoare, dependente de material, până la obținerea unei curbe de eroziune complete.
Măsurătoarea brută este pierderea de masă. Pentru comparația inginerească, această pierdere de masă este convertită în pierdere de volum folosind densitatea materialului. Pierderea de volum este apoi împărțită la aria suprafeței expuse pentru a determina adâncimea medie de eroziune. Din curba adâncimii de eroziune, cercetătorul poate calcula parametri 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 unitatea de timp sau pe unitatea de energie ultrasonică furnizată, în funcție de protocolul ales.

Adâncimile medii de eroziune în funcție de parametrii de calitate a acoperirii ajustați n. Recoacerea pulberii și, prin urmare, rezistența redusă a pulberii permit obținerea unor calități ridicate ale acoperirii. Imaginile inserate arată deteriorarea suprafeței obținută după un timp de testare la cavitație de 100min.
Diagrame și studiu: ©Hauer et al., 2021.

O lecție importantă din studiul Hauer este că ratele de eroziune inițiale pot fi înșelătoare. Acoperirile pulverizate termic și cinetic au prezentat adesea o pierdere inițială mare de material, urmată de o rată de eroziune mai scăzută și mai stabilă. Din acest motiv, Hauer et al. au utilizat rata terminală de eroziune ca indicator mai reprezentativ al performanței pe termen lung a acoperirii. În comparația lor de 120 de minute, rata terminală de eroziune a fost evaluată în principal din a doua jumătate a testului, peste 60 de minute, pentru a surprinde mai bine comportamentul stabilizat.

Rezultatele testului arată de ce un aparat vibrator de cavitație controlat este valoros. Bronzul turnat cu nichel și aluminiu a atins o rată terminală de eroziune de aproximativ 0,40 µm/h. Bronzul pulverizat cald optimizat a atins 0,57 µm/h, aproape de referința turnată. O acoperire optimizată pulverizată cu arc electric pe oțel pentru construcții navale a atins aproximativ 1,02 µm/h, în timp ce o acoperire HVOF optimizată a atins aproximativ 1,74 µm/h. Chiar dacă aceste acoperiri nu au egalat pe deplin bronzul turnat pentru elice, ele au depășit în mod spectaculos oțelul pentru construcții navale; studiul raportează că acoperirile pulverizate cu arc electric și cele pulverizate HVOF au obținut o rezistență la cavitație de aproximativ 26 de ori, respectiv 16 ori mai bună decât oțelul VL-A.

Utilizați un sonicator ca aparat vibrator pentru testele dumneavoastră de eroziune prin cavitație

Concluzia practică este că testarea eroziunii prin cavitație cu sonicatorul UIP1000hdT ca aparat vibrator poate face mai mult decât să clasifice materialele. Ea arată modul în care procesul de acoperire, microstructura, conținutul de oxizi, 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 solid între performanță și cost pentru îmbunătățirea suprafețelor cârmelor din oțel, în timp ce pulverizarea la rece și cea caldă sunt preferate atunci când este necesară o rezistență la cavitație apropiată de cea a bronzului masiv cu nichel și aluminiu.

Pentru laboratoare și dezvoltatorii de acoperiri, cheia rezultatelor reproductibile este controlul strict al parametrilor de testare: amplitudinea sonotrodei, frecvența, distanța dintre sonotrodă și probă, temperatura lichidului, compoziția chimică a lichidului, pregătirea probelor, intervalele de cântărire și calculul ratei de eroziune. Cu aceste condiții definite, Hielscher UIP1000hdT oferă o modalitate practică și repetabilă de a transpune cavitația ultrasonică în date cantitative privind performanța acoperirilor.

Model de fișă de lucru pentru testarea eroziunii prin cavitație

 
Găsiți aici instrucțiuni pentru testele de eroziune prin cavitație!

Configurație de test ASTM G32 pentru eroziunea prin cavitație

Sonicatoarele UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT și UIP2000hdT sunt potrivite pentru testarea ASTM G32. Putem livra fiecare dintre aceste unități cu un protocol precis de măsurare a amplitudinii mecanice la vârful sonotrodei. Vă recomandăm să utilizați oricare dintre aceste dispozitive cu o sonotrodă BS4d22 (diametru 22mm) și un stativ ST2.

Sonotrodă de 15,9mm cu vârf înlocuibil pentru ASTM G32 -16

Proiectare, fabricație și consultanță – calitate Made in Germany

Ultrasonicatoarele Hielscher sunt bine cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și operarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicatoarelor noastre în instalațiile industriale. Condițiile dificile și mediile solicitante sunt gestionate cu ușurință de ultrasonicatoarele Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicatoare de înaltă performanță, dotate cu tehnologie de ultimă generație și ușor de utilizat. Desigur, ultrasonicatoarele Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.

Literatură / Referințe

• 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.