Практические испытания морских бронзовых покрытий на кавитационную эрозию

Испытания на кавитационную эрозию наиболее полезны, когда они связывают контролируемое лабораторное воздействие с реальной инженерной задачей. Практический пример – оценка кавитационно-стойких бронзовых покрытий для морских компонентов, таких как судовые рули и гребные винты. Эти детали работают в зонах, где локальные колебания давления могут создавать паровые пузырьки, схлопывающиеся вблизи поверхности и вызывающие повторяющиеся высокоинтенсивные ударные нагрузки. Со временем это приводит к образованию ямок, усталостным повреждениям, разрушению покрытия и потере материала.

Испытание бронзовых покрытий на кавитационную эрозию

В исследовании Hauer и соавторов бронзовые покрытия, полученные холодным напылением, тёплым напылением, высокоскоростным газопламенным напылением (HVOF) и электродуговым напылением, сравнивали с литой никель-алюминиевой бронзой и судостроительной сталью. Основной вопрос был прост: какой процесс нанесения покрытия позволяет получить бронзовую поверхность, способную выдерживать кавитационное воздействие достаточно долго для эксплуатации в морских условиях? Чтобы ответить на него, исследователи провели испытание на кавитационную эрозию на основе ASTM G32-16 с использованием вибрационного аппарата, в том числе ультразвуковой вибрационной системы Hielscher UIP1000hdT в качестве испытательной системы.

Точный контроль условий испытаний и автоматизированная регистрация данных

Ультразвуковой аппарат UIP1000hdT хорошо подходит для этого типа испытаний, поскольку он создаёт высокоинтенсивный низкочастотный ультразвук в диапазоне, используемом для испытаний на кавитационную эрозию. Установка для испытаний на кавитационную эрозию с ультразвуковым аппаратом мощностью 1000 ватт работает на частоте 20 kHz и позволяет точно контролировать процесс, регулировать амплитуду, измерять температуру и автоматически протоколировать данные испытаний. Эти функции важны, поскольку интенсивность кавитации сильно зависит от амплитуды, температуры жидкости, давления жидкости, геометрии сонотрода и расстояния между сонотродом и образцом.

(a) Испытание на кавитационную эрозию по ASTM G32-16 с ультразвуковым аппаратом UIP1000hd (косвенный метод). Все параметры испытания являются номинальными значениями; допуски приведены в стандарте.
(b) Схематическое представление стадий на кривой зависимости эрозии от времени и характерных параметров процедуры испытания.
Графические материалы и исследование: ©Hauer et al., 2021.

Ультразвуковое испытание бронзовых покрытий на кавитационную эрозию

В примере с морским бронзовым покрытием испытание проводили по косвенной схеме ASTM G32. В этой конфигурации образец не прикрепляется к вибрирующему излучателю. Вместо этого ультразвуковой сонотрод создаёт кавитацию в дистиллированной воде, а образец с покрытием закрепляется под сонотродом с заданным зазором. Hauer и соавторы использовали расстояние между образцом и сонотродом 0,5 mm, частоту 20 kHz и размах колебаний от пика до пика 50 µm. Испытательной жидкостью служила дистиллированная вода, температуру которой поддерживали примерно на уровне комнатной, около 25 °C.

Подготовка образцов – важнейший этап. Перед кавитационным воздействием поверхности с покрытиями последовательно шлифовали и полировали, завершая обработку мелким алмазным абразивом с размером частиц менее 4 µm. Это снижает влияние слабо закреплённых частиц или неровностей поверхности, которые иначе могли бы сразу отделиться и исказить кривую эрозии. Цель состоит не в том, чтобы придать покрытию хороший внешний вид, а в том, чтобы создать воспроизводимое исходное состояние, при котором измеренная потеря массы отражает кавитационную стойкость, а не плохую подготовку поверхности.

Процедура ультразвуковых испытаний на кавитационную эрозию и их результаты

Практическая процедура испытания проста. Сначала каждый образец очищают, высушивают и взвешивают на прецизионных весах. Затем его устанавливают в испытательной ячейке под сонотродом BS4d22 ультразвукового аппарата UIP1000hdT, тщательно и воспроизводимо задавая зазор 0,5 mm. Ультразвуковой аппарат работает с заданными амплитудой и частотой, а температуру жидкости контролируют, чтобы нагрев не изменял интенсивность кавитации. После заданного интервала воздействия образец извлекают, очищают, высушивают и снова взвешивают. Эту последовательность повторяют с увеличивающимися интервалами воздействия, зависящими от материала, пока не будет получена полная кривая эрозии.
Непосредственно измеряемая величина – потеря массы. Для инженерного сравнения эту потерю массы пересчитывают в потерю объёма с использованием плотности материала. Затем потерю объёма делят на площадь поверхности, подвергавшейся воздействию, чтобы определить среднюю глубину эрозии. По кривой глубины эрозии исследователь может рассчитать характерные параметры эрозии, такие как максимальная скорость эрозии, установившаяся скорость эрозии и средняя глубина эрозии. Hielscher также отмечает, что в зависимости от выбранного протокола эрозию можно выражать как потерю массы, потерю объёма или глубину проникновения за единицу времени либо на единицу переданной ультразвуковой энергии.

Средние глубины эрозии в зависимости от скорректированных параметров качества покрытия n. Отжиг порошка и обусловленное им снижение прочности порошка позволяют получить покрытия высокого качества. На вставках показаны повреждения поверхности после кавитационного испытания продолжительностью 100min.
Графики и исследование: ©Hauer et al., 2021.

Один из важных выводов исследования Hauer состоит в том, что начальные скорости эрозии могут вводить в заблуждение. Покрытия, нанесённые термическим и кинетическим напылением, часто демонстрировали высокую начальную потерю материала, за которой следовала более низкая и стабильная скорость эрозии. По этой причине Hauer и соавторы использовали установившуюся скорость эрозии как более репрезентативный показатель долговременных эксплуатационных характеристик покрытия. При сравнении в течение 120 минут установившуюся скорость эрозии оценивали главным образом по второй половине испытания, после 60 минут, чтобы лучше отразить стабилизировавшееся поведение.

Результаты испытаний показывают ценность управляемого вибрационного кавитационного аппарата. У литой никель-алюминиевой бронзы установившаяся скорость эрозии составила около 0,40 µm/h. У оптимизированной бронзы, нанесённой тёплым напылением, она достигла 0,57 µm/h, что близко к литому эталону. У оптимизированного покрытия, нанесённого электродуговым напылением на судостроительную сталь, она составила около 1,02 µm/h, а у оптимизированного покрытия HVOF – около 1,74 µm/h. Даже когда эти покрытия не полностью соответствовали литой бронзе для гребных винтов, они значительно превосходили судостроительную сталь; в исследовании сообщается, что покрытия, нанесённые электродуговым напылением и напылением HVOF, обеспечили примерно в 26 и 16 раз более высокую кавитационную стойкость соответственно, чем сталь VL-A.

Используйте ультразвуковой аппарат в качестве вибрационного аппарата для своих испытаний на кавитационную эрозию

Практический вывод заключается в том, что испытания на кавитационную эрозию с ультразвуковым аппаратом UIP1000hdT в качестве вибрационного аппарата позволяют не только ранжировать материалы. Они выявляют, как процесс нанесения покрытия, микроструктура, содержание оксидов, пористость, сцепление на границе раздела и последующая обработка влияют на фактическое поведение при эрозии. Hauer и соавторы пришли к выводу, что напыление HVOF и электродуговое напыление могут обеспечить удачный компромисс между эксплуатационными характеристиками и стоимостью для улучшения поверхностей стальных рулей, тогда как холодное и тёплое напыление предпочтительны, когда требуется кавитационная стойкость, близкая к стойкости массивной никель-алюминиевой бронзы.

Для лабораторий и разработчиков покрытий ключ к воспроизводимым результатам – строгий контроль параметров испытания: амплитуды сонотрода, частоты, расстояния между сонотродом и образцом, температуры жидкости, химического состава жидкости, подготовки образцов, интервалов взвешивания и расчёта скорости эрозии. При заданных условиях Hielscher UIP1000hdT обеспечивает практический и воспроизводимый способ преобразования ультразвуковой кавитации в количественные данные об эксплуатационных характеристиках покрытий.

Пример рабочего листа для испытаний на кавитационную эрозию

 
Здесь вы найдёте инструкции по проведению испытаний на кавитационную эрозию!

Установка для испытаний на кавитационную эрозию по ASTM G32

Ультразвуковые аппараты UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT и UIP2000hdT подходят для испытаний по ASTM G32. Мы можем поставить каждый из этих аппаратов с точным протоколом измерения амплитуды механических колебаний на наконечнике сонотрода. Мы рекомендуем использовать любой из этих аппаратов с сонотродом BS4d22 (диаметр 22mm) и стойкой ST2.

ASTM G32 -16: сонотрод 15,9mm со сменным наконечником

Проектирование, производство и консультации – качество из Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher известны высочайшими стандартами качества и проектирования. Прочность и простота эксплуатации позволяют без затруднений интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные установки. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями эксплуатации и сложной рабочей средой.

Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, сочетающим самые современные технологии и удобство использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и выполняют требования UL, CSA и RoHs.

Литература / Ссылки

• 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.