Testarea eroziunii prin cavitație

Eroziunea prin cavitație apare pe suprafețele materialelor expuse unei cavitații ultrasonice intense. Testarea eroziunii prin cavitație este o metodă rapidă de măsurare a rezistenței la eroziune a materialelor sau a acoperirilor la solicitări intense și la alți factori de eroziune. Aceasta oferă o măsurătoare cantitativă simplă pentru controlul calității și este utilă în cercetarea materialelor sau în formularea acoperirilor.

De ce să utilizați testarea eroziunii prin cavitație?

Eroziunea sau coroziunea continuă poate necesita înlocuirea regulată a pieselor sau reînnoirea acoperirilor de suprafață. Eroziunea suprafeței materialelor cauzată de influențe mecanice sau chimice este un proces lent, care duce la distrugerea treptată a suprafețelor materialelor. Prin urmare, evaluarea rezistenței la eroziune a materialului sau a efectului erosiv al lichidelor și suspensiilor poate fi un proces care necesită foarte mult timp.
Testarea eroziunii prin cavitație ultrasonică expune suprafața materialului unor cicluri de solicitare controlate, intense și repetate. Aceasta duce la o eroziune semnificativă a suprafeței materialului într-un timp scurt. Puteți măsura rapid rezistența la eroziune pentru controlul regulat al calității în producție, pentru evaluarea materialelor primite sau în cercetare și dezvoltare.
Aplicațiile standard includ testarea metalurgică, testarea formulărilor de acoperiri, testarea aplicării acoperirilor sau evaluarea inhibitorilor de eroziune din lichide.

De ce provoacă cavitația eroziunea suprafețelor?

Dispozitivele cu ultrasunete, precum UP400St (400 wați, 24kHz) sau UIP1000hdT (1000 wați, 20kHz), cuplează vibrațiile ultrasonice în lichide, cum ar fi apa. Mișcarea alternativă rapidă a vibrației în lichid produce bule de cavitație și determină colapsul acestora. La colapsul bulelor apar solicitări mecanice locale ridicate în lichid și pe suprafețele materialelor expuse. Jeturile de lichid de până la 1000km/h și presiunile locale de până la 1000atm duc la oboseala rapidă a suprafeței materialului. Acest lucru poate îndepărta straturile de oxid sau de pasivare, acoperirile sau depunerile. Poate provoca formarea de cratere (pitting) pe materiale solide, precum oțelul, titanul, aluminiul, plasticul sau sticla. Prin urmare, testarea eroziunii prin cavitație este o metodă de testare distructivă.

Cum funcționează testarea eroziunii prin cavitație?

Eroziunea prin cavitație a suprafețelor materialelor provoacă o pierdere treptată de material. Puteți măsura cu ușurință pierderea de material cântărind materialul pe o balanță de precizie înainte și după o expunere definită la eroziunea prin cavitație. O variație tipică de greutate pentru un test de eroziune prin cavitație este între 1 și 30mg. Pentru o standardizare suplimentară, puteți calcula pierderea de volum împărțind pierderea de greutate la densitatea materialului. Adâncimea medie de penetrare (MDP) se calculează împărțind pierderea de volum la aria suprafeței epruvetei. Alternativ, puteți măsura adâncimea craterelor sau volumul deplasat. Puteți utiliza analiza microscopică pentru a obține informații calitative suplimentare despre modelul de eroziune.
Atunci când utilizați un dispozitiv cu ultrasunete Hielscher pentru testarea eroziunii prin cavitație, puteți preseta intervalul de temperatură și intervalul de presiune în care doriți să lucrați. Puteți regla amplitudinea de sonicare. Toți parametrii sunt monitorizați, afișați și înregistrați pe un card SD. Nu aveți nevoie de instalarea niciunui software proprietar. Dacă doriți, puteți controla și monitoriza procesul ultrasonic din browserul web obișnuit, dacă conectați dispozitivul cu ultrasunete la computer prin cablul ethernet (inclus).

Ce este metoda standard ASTM G32 pentru eroziunea prin cavitație folosind un aparat vibrator?

Standardul ASTM G32-16 descrie o metodă standardizată pentru eroziunea prin cavitație. Acesta definește un test simplu, controlabil și reproductibil pentru cuantificarea și compararea rezistenței la eroziunea prin cavitație a diferitelor materiale. Specificațiile ATSM G32-16 sunt utile pentru compararea rezultatelor dumneavoastră cu cele din alte publicații. Dacă doriți să implementați testarea eroziunii prin cavitație în controlul calității, vă recomandăm să adaptați protocolul de testare a eroziunii prin cavitație la cerințele dumneavoastră specifice. Vă vom ajuta cu plăcere la elaborarea unui protocol personalizat de testare a eroziunii prin cavitație. Pentru mai multe informații despre testarea eroziunii prin cavitație în conformitate cu ASTM-G32, faceți clic aici!

De ce ar trebui să utilizez o limită de energie în loc de o limită de timp?

Multe publicații și protocoale de testare a eroziunii specifică un timp de expunere la cavitație. La dispozitivele cu ultrasunete Hielscher, puteți preseta un timp de sonicare, iar sistemul se va opri după scurgerea acestui timp. Apoi puteți calcula rata de eroziune prin cavitație rezultată în mm/hr sau mm3/hr. O limită de timp este acceptabilă numai dacă nu modificați niciun parametru, cum ar fi nivelul lichidului, amplitudinea, presiunea, temperatura, compoziția lichidului sau distanța dintre sonotrodă și suprafața materialului. Dacă oricare dintre acești parametri se modifică, se vor modifica și puterea de sonicare și intensitatea cavitației. Este important ca puterea netă efectivă transmisă lichidului să nu fluctueze pe durata testului.
La dispozitivele cu ultrasunete Hielscher puteți seta o limită de energie. În acest caz, dispozitivul cu ultrasunete se va opri după ce a transmis energia ultrasonică specificată. Dispozitivul Hielscher va afișa și înregistra parametri precum puterea netă efectivă, amplitudinea, presiunea și temperatura lichidului. Fluctuațiile de putere sau modificările deliberate ale parametrilor vor fi compensate atunci când se utilizează o limită de energie. Apoi puteți specifica rata de eroziune prin cavitație rezultată în mm/kWhr, mm3/kWhr sau mg/kWhr.
Dacă cântăriți epruveta între intervalele de eroziune prin cavitație, puteți genera o curbă care arată pierderea marginală de greutate (rata pierderii de greutate în fiecare interval de energie) în funcție de energia cumulată.
Pentru rezultate mai precise, dispozitivul poate efectua o calibrare automată (30 de secunde). Aceasta măsoară puterea pentru toate setările de amplitudine în aer, la presiune ambiantă. Dispozitivul Hielscher utilizează aceste date de calibrare pentru a furniza în timp real valori foarte precise ale puterii nete.

Presiunea lichidului în timpul sonicării

Multe protocoale standard pentru testarea eroziunii prin cavitație utilizează cavitația ultrasonică la presiune ambiantă. Presiunea lichidului este al doilea cel mai important factor pentru intensitatea sonicării. O creștere cu 10% a presiunii ambiante va crește intensitatea sonicării cu aproximativ 10%. O cavitație mai intensă reduce timpul necesar pentru a atinge un anumit grad de eroziune prin cavitație. Adesea, testul unei singure epruvete poate dura între 15 și 120 de minute. Dacă aveți multe epruvete de testat, lucrul la presiuni mai mari poate reduce semnificativ timpul pentru fiecare test. Testele la 5 barg (73psig) necesită cu aprox. 80% mai puțin timp pentru fiecare test.
Hielscher furnizează celule de testare etanșe la presiune, cu senzor digital de presiune, pentru testarea eroziunii prin cavitație. Utilizând o celulă etanșă la presiune, puteți controla și menține presiunea în timpul fiecărui test. Generatorul ultrasonic monitorizează constant senzorul de presiune și înregistrează presiunea efectivă într-un fișier CSV compatibil cu Excel pe un card SD (inclus). Hielscher furnizează regulatoare de presiune pentru setarea și menținerea presiunii de lucru.
În varianta standard, celulele de testare etanșe la presiune Hielscher pentru testarea eroziunii prin cavitație sunt dimensionate pentru până la 5barg (73psig). Presiuni mai mari, de până la 300barg (4350psig), sunt disponibile la cerere.

Frecvența ultrasonică

În general, testarea eroziunii prin cavitație utilizează ultrasunete de joasă frecvență și intensitate ridicată, în intervalul 18–30kHz. În acest interval, variația frecvenței are un efect foarte limitat asupra intensității cavitației. Toate dispozitivele Hielscher funcționează la o frecvență constantă.

Distanța față de sonotrodă

Materialul de testat poate fi montat pe sonotrodă sau sub sonotrodă. Puteți realiza o epruvetă filetată din material și o puteți monta la capătul sonotrodei ultrasonice. În acest caz, epruveta vibrează la amplitudinea ultrasonică specificată și produce cavitație pe suprafața sa. Acest lucru necesită o prelucrare de precizie și nu toate materialele sunt potrivite pentru această opțiune.
Alternativ, puteți fixa o piesă sau o epruvetă în imediata apropiere, sub o sonotrodă din titan. În acest caz, sonotroda din titan produce cavitația, iar suprafața materialului este expusă cavitației. Aceasta este opțiunea mai convenabilă, deoarece puteți plasa în celula de testare epruvete de diverse dimensiuni sau forme. Dacă utilizați o sonotrodă mai mare, de exemplu o sonotrodă cu diametrul de 50mm sau 80mm, puteți expune simultan mai multe piese la eroziunea prin cavitație. Acest lucru este foarte util atunci când trebuie să testați multe piese pe zi, de ex. pentru controlul calității.
În ambele cazuri, distanța dintre sonotroda ultrasonică și suprafața materialului aflată lângă aceasta este foarte importantă. În general, eroziunea prin cavitație este mai rapidă la o distanță mai mică. Distanțele tipice variază între 0,2 și 15mm. Pentru rezultate concludente, ar trebui să utilizați aceeași distanță pentru toate testele.

Temperatura lichidului

Un lichid mai cald duce la o intensitate mai scăzută a cavitației ultrasonice. Aportul de energie de vibrație mecanică în lichid va determina încălzirea lichidului. Pentru a menține o temperatură constantă în timpul fiecărui test de eroziune prin cavitație, lichidul trebuie răcit. Hielscher furnizează recipiente cu manta și celule etanșe la presiune cu manta. Alternativ, puteți utiliza o serpentină de răcire într-un pahar Berzelius sau puteți așeza paharul într-o baie de gheață. Un agent de răcire care circulă prin manta sau prin serpentina de răcire elimină căldura din lichid.
Dispozitivele cu ultrasunete Hielscher, precum UP400St sau UIP1000hdT, sunt livrate cu o sondă de temperatură PT100 (inclusă). Generatorul ultrasonic monitorizează continuu temperatura efectivă a lichidului și înregistrează temperatura într-un fișier CSV compatibil cu Excel pe un card SD (inclus). Puteți seta generatorul să întrerupă testarea eroziunii prin cavitație dacă temperatura lichidului se abate prea mult de la valoarea setată, de ex. din cauza unei capacități de răcire insuficiente. Generatorul poate relua automat sonicarea atunci când lichidul atinge din nou temperatura specificată.

Lichidul de cavitație

În general, testarea eroziunii prin cavitație utilizează apă, de exemplu apă distilată. Lichide diferite prezintă caracteristici de cavitație diferite. Dacă apa este corozivă pentru materialul dumneavoastră, este posibil să doriți să testați lichide alternative, precum uleiuri siliconice cu viscozitate scăzută sau solvenți organici, pentru a elimina sau a reduce factorul coroziv. Alternativ, puteți face lichidul mai coroziv, de ex. prin modificarea pH-ului, sau mai abraziv, prin adăugarea de particule abrazive. Puteți utiliza testarea eroziunii prin cavitație pentru a evalua erozivitatea și corozivitatea lichidelor, cum ar fi noroiurile de foraj, sau pentru a evalua eficacitatea inhibitorilor de coroziune sau de eroziune.

Prelucrarea mecanică

Atunci când fabricați o piesă sau o epruvetă, prelucrarea CNC, rectificarea sau lustruirea provoacă deteriorări ale structurii granulare din apropierea suprafeței materialului. Acest lucru reduce rezistența la eroziune.

Straturi de pasivare/oxid

Foarte adesea, eroziunea și coroziunea au loc simultan. Apa, cum ar fi apa distilată, demineralizată sau deionizată, poate fi corozivă pentru multe materiale. Cavitația ultrasonică favorizează coroziunea. Straturile de pasivare, de ex. la aluminiul anodizat, vor crește rezistența unei suprafețe de material la eroziune și coroziune.

Ce limitări are testarea eroziunii prin cavitație?

Unii elastomeri pot necesita o expunere foarte intensă la cavitație pentru a prezenta măcar o eroziune prin cavitație. În acest caz, este posibil ca sonicarea fără o celulă presurizată să nu prezinte niciun efect măsurabil.