Практические испытания покрытий из морской бронзы на кавитационную эрозию

Испытания на кавитационную эрозию наиболее эффективны в тех случаях, когда они позволяют соотнести контролируемые лабораторные условия с реальной инженерной задачей. Практическим примером является оценка устойчивых к кавитации бронзовых покрытий для морских компонентов, таких как рули и винты судов. Эти детали работают в зонах, где локальные колебания давления могут приводить к образованию паровых пузырьков, которые разрушаются вблизи поверхности, создавая повторяющиеся ударные нагрузки высокой интенсивности. Со временем это приводит к появлению точечной коррозии, усталостным повреждениям, разрушению покрытия и потере материала.

Испытание бронзовых покрытий на кавитационную эрозию

В исследовании Хауэра и др. бронзовые покрытия, нанесенные методами холодного и теплого напыления, напыления HVOF и дугового напыления, сравнивались с литой никель-алюминиевой бронзой и судостроительной сталью. Основной вопрос был прост: какой метод нанесения покрытия позволяет получить бронзовую поверхность, способную выдерживать воздействие кавитации в течение времени, достаточного для эксплуатации в морских условиях? Чтобы ответить на него, исследователи провели испытание на кавитационную эрозию в соответствии со стандартом ASTM G32-16 с использованием вибрационного оборудования, в том числе ультразвуковой вибрационной системы Hielscher UIP1000hdT в качестве испытательной установки.

Точное регулирование условий испытаний и автоматическая регистрация данных

Ультразвуковой аппарат UIP1000hdT хорошо подходит для данного типа испытаний, поскольку он генерирует высокоинтенсивный низкочастотный ультразвук в диапазоне, используемом для испытаний на кавитационную эрозию. Испытательная установка для определения кавитационной эрозии с использованием ультразвукового генератора мощностью 1000 Вт работает на частоте 20 кГц и позволяет осуществлять точный мониторинг процесса, регулировать амплитуду, измерять температуру и автоматически формировать протоколы данных испытаний. Эти функции важны, поскольку интенсивность кавитации в значительной степени зависит от амплитуды, температуры жидкости, давления жидкости, геометрии сонотрода и расстояния между сонотродом и образцом.

(a) Испытание на кавитационную эрозию в соответствии со стандартом ASTM G32-16 с использованием ультразвукового аппарата UIP1000hd (непрямой метод). Все параметры испытания указаны в номинальных значениях; допуски приведены в стандарте.
(b) Схематическое изображение фаз на кривой «эрозия — время» и характерные параметры экспериментальной процедуры.
Графики и исследование: ©Hauer и др., 2021.

Испытание бронзовых покрытий на эрозию под действием ультразвуковой кавитации

В случае с покрытием из морской бронзы испытание проводилось в конфигурации ASTM G32 с непрямым воздействием. В этой конфигурации образец не крепится к вибрирующему рожку. Вместо этого ультразвуковой сонотрод вызывает кавитацию в дистиллированной воде, а образец с покрытием закрепляется под сонотродом на заданном расстоянии. Хауэр и др. использовали расстояние 0,5 мм между образцом и сонотродом, частоту 20 кГц и амплитуду от пика до пика 50 мкм. В качестве испытательной жидкости использовалась дистиллированная вода, температура которой поддерживалась приблизительно на уровне комнатной, около 25 °C.

Подготовка образцов является критически важным этапом. Перед воздействием кавитации поверхности с покрытием подвергались поэтапной шлифовке и полировке с использованием мелкого алмазного абразива с размером частиц менее 4 мкм. Это позволяет снизить влияние слабозакрепленных частиц или неровностей поверхности, которые в противном случае могли бы сразу отслоиться и исказить кривую эрозии. Цель заключается не в том, чтобы покрытие выглядело эстетично, а в том, чтобы создать воспроизводимые исходные условия, при которых измеренная потеря массы отражала бы устойчивость к кавитации, а не некачественную подготовку поверхности.

Методика проведения испытаний на эрозию под действием ультразвуковой кавитации и их результаты

Процедура практического испытания проста. Сначала каждый образец очищают, сушат и взвешивают на прецизионных весах. Затем его устанавливают в испытательную камеру под сонотродом BS4d22 ультразвукового аппарата UIP1000hdT, тщательно и повторяемо выставляя зазор 0,5 мм. Ультразвуковой аппарат работает с заданной амплитудой и частотой, при этом температура жидкости контролируется, чтобы нагрев не влиял на интенсивность кавитации. По истечении заданного интервала воздействия образец извлекается, очищается, просушивается и вновь взвешивается. Эта последовательность повторяется с увеличением интервалов воздействия, зависящих от материала, до получения полной кривой эрозии.
Исходным показателем является потеря массы. Для инженерного сравнения эта потеря массы преобразуется в потерю объёма с учётом плотности материала. Затем потеря объёма делится на площадь открытой поверхности для определения средней глубины эрозии. По кривой «эрозия — глубина» исследователь может рассчитать характерные параметры эрозии, такие как максимальная скорость эрозии, конечная скорость эрозии и средняя глубина эрозии. Хильшер также отмечает, что эрозия может быть выражена в виде потери массы, объема или глубины проникновения за единицу времени или на единицу подаваемой ультразвуковой энергии, в зависимости от выбранного протокола.

Средние глубины эрозии в зависимости от скорректированных параметров качества покрытия n. Отжиг порошка и, как следствие, снижение его прочности позволяют добиться высокого качества покрытия. На вставках показаны повреждения поверхности, полученные после 100 минут кавитационных испытаний.
Графики и исследование: ©Hauer и др., 2021.

Один из важных выводов исследования Хауэра заключается в том, что показатели скорости эрозии на ранних этапах могут вводить в заблуждение. Покрытия, нанесенные методами термического и кинетического напыления, часто демонстрировали высокую начальную потерю материала, за которой следовала более низкая и стабильная скорость эрозии. По этой причине Хауэр и др. использовали конечную скорость эрозии в качестве более репрезентативного показателя долгосрочных эксплуатационных характеристик покрытия. В ходе их 120-минутного сравнения конечная скорость эрозии оценивалась в основном по результатам второй половины испытания (после 60 минут), чтобы лучше отразить стабилизированное поведение.

Результаты испытаний показывают, почему устройство с контролируемой вибрационной кавитацией представляет собой ценный инструмент. Для литой никель-алюминиевой бронзы конечная скорость эрозии составила около 0,40 мкм/ч. Для оптимизированного бронзового покрытия, нанесенного методом горячего напыления, этот показатель достиг 0,57 мкм/ч, что близко к значению для литого эталонного образца. Оптимизированное покрытие, нанесенное дуговым напылением на судостроительную сталь, показало скорость эрозии около 1,02 мкм/ч, тогда как оптимизированное покрытие, нанесенное методом HVOF, — около 1,74 мкм/ч. Даже если эти покрытия и не полностью соответствовали литой бронзе для винтов, они значительно превосходили судостроительную сталь; в исследовании отмечается, что покрытия, нанесенные методами дугового и HVOF-напыления, продемонстрировали соответственно примерно в 26 и 16 раз более высокую кавитационную стойкость по сравнению со сталью VL-A.

Используйте ультразвуковой генератор в качестве вибрационного устройства для проведения испытаний на кавитационную эрозию

Практический вывод заключается в том, что испытания на кавитационную эрозию с использованием ультразвукового генератора UIP1000hdT в качестве вибрационного устройства позволяют не только составить рейтинг материалов. Они показывают, как процесс нанесения покрытия, микроструктура, содержание оксидов, пористость, прочность межфазной связи и последующая обработка влияют на реальное поведение материала при эрозии. Хауэр и др. пришли к выводу, что технологии HVOF и дугового напыления могут обеспечить оптимальный компромисс между эксплуатационными характеристиками и стоимостью при улучшении поверхностей стальных рулей, тогда как холодное и тёплое напыление предпочтительны в тех случаях, когда требуется сопротивление кавитации, близкое к показателям никель-алюминиевой бронзы в массивном состоянии.

Для лабораторий и разработчиков покрытий залогом воспроизводимости результатов является строгий контроль параметров испытаний: амплитуды сонотрода, частоты, расстояния между сонотродом и образцом, температуры жидкости, химического состава жидкости, подготовки образцов, интервалов взвешивания и расчета скорости эрозии. При соблюдении этих условий прибор Hielscher UIP1000hdT обеспечивает практичный и воспроизводимый способ преобразования ультразвуковой кавитации в количественные данные о характеристиках покрытия.

Образец рабочего листа для испытаний на кавитационную эрозию

 
Инструкции по проведению испытаний на кавитационную эрозию можно найти здесь!

Установка для испытаний на кавитационную эрозию по стандарту ASTM G32

Ультразвуковые аппараты UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT и UIP2000hdT подходят для проведения испытаний по стандарту ASTM G32. Мы можем поставить каждую из этих моделей в комплекте с точным Протокол измерения амплитуды механической амплитуды на конце сонотрода. Мы рекомендуем использовать любое из этих устройств в сочетании с сонотродом BS4d22 (диаметр 22 мм) и подставкой ST2.

ASTM G32 -16 15,9 мм сонотрод со сменным наконечником

Проектирование, производство и консалтинг – Качество «Сделано в Германии»

Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны своими высочайшими стандартами качества и дизайна. Надежность и простота в эксплуатации позволяют без проблем интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные объекты. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и требовательными условиями окружающей среды.

Hielscher Ultrasonics является компанией, сертифицированной по стандарту ISO, и уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся самыми современными технологиями и удобством в использовании. Конечно, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и соответствуют требованиям UL, CSA и RoHs.

Литература / Литература