Испытание на кавитационную эрозию

Кавитационная эрозия происходит на поверхностях материалов, которые подвергаются интенсивной ультразвуковой кавитации. Испытание на кавитационную эрозию — это быстрый метод измерения эрозионной стойкости материалов или покрытий к интенсивным нагрузкам и другим эрозионным факторам. Он обеспечивает простое количественное измерение для контроля качества и полезен при исследовании материалов или составлении рецептуры покрытий.

Зачем использовать испытание на кавитационную эрозию?

Продолжающаяся эрозия или коррозия может потребовать регулярной замены деталей или обновления поверхностных покрытий. Эрозия поверхности материала из-за механических или химических воздействий – это медленный процесс, приводящий к постепенному разрушению поверхностей материала. Таким образом, оценка эрозионной стойкости материала или эрозионного эффекта жидкостей и шламов может быть очень трудоемким процессом.
Ультразвуковые испытания на кавитационную эрозию подвергают поверхность материала контролируемым, интенсивным, повторяющимся циклам напряжения. Это приводит к значительному размыву поверхности материала за короткое время. Вы можете быстро измерить сопротивление эрозии для регулярного контроля качества на производстве, для оценки поступающих материалов или во время исследований и разработок.
Стандартные области применения включают металлургические испытания, испытания рецептур покрытий, испытания на нанесение покрытий или оценку ингибиторов эрозии в жидкостях.

Почему кавитация вызывает поверхностную эрозию?

Ультразвуковые устройства, такие как UP400St (400 Вт, 24 кГц) или UIP1000hdT (1000 Вт, 20 кГц), связывают ультразвуковые колебания с жидкостями, такими как вода. Быстрое обратное движение вибрации в жидкости приводит к образованию и схлопыванию кавитационных пузырьков. Когда пузырьки схлопываются, в жидкости и на открытых поверхностях материала возникает высокое локализованное механическое напряжение. Струи жидкости со скоростью до 1000 км/ч и местное давление до 1000 атм приводят к быстрому утомлению поверхности материала. Это может привести к удалению оксидных или пассивирующих слоев, покрытий или загрязнений. Это может привести к точечной коррозии твердых материалов, таких как сталь, титан, алюминий, пластик или стекло. Следовательно, испытание на кавитационную эрозию является разрушающим методом испытаний.

Как проходят испытания на кавитационную эрозию?

Кавитационная эрозия поверхностей материала приводит к постепенной потере материала. Потери материала можно легко измерить, взвесив материал на прецизионных весах до и после определенного воздействия кавитационной эрозии. Типичное изменение веса для испытания на кавитационную эрозию составляет от 1 до 30 мг. Для дальнейшей стандартизации вы можете рассчитать потерю объема, разделив потерю веса на плотность материала. Средняя глубина проникновения (MDP) рассчитывается путем деления потери объема на площадь поверхности образца. Кроме того, вы можете измерить глубину точечной коррозии или смещенный объем. Вы можете использовать микроскопический анализ, чтобы получить дополнительную качественную информацию о характере эрозии.
Когда вы используете ультразвуковое устройство Hielscher для испытания на кавитационную эрозию, вы можете заранее установить диапазон температур и диапазонов давления, в которых вы хотите работать. Вы можете настроить амплитуду ультразвука. Все параметры отслеживаются, отображаются и протоколируются на SD-карте. Вам не нужна установка какого-либо проприетарного программного обеспечения. При желании вы можете управлять и контролировать процесс ультразвукового исследования из обычного веб-браузера, если подключить ультразвуковой прибор к компьютеру через кабель Ethernet (входит в комплект).

Что такое стандартный метод ASTM G32 для кавитационной эрозии с использованием вибрационного аппарата?

Стандарт ASTM G32-16 описывает стандартизированный метод кавитационной эрозии. Он определяет простое, контролируемое и воспроизводимое испытание для количественной оценки и сравнения устойчивости различных материалов к кавитационной эрозии. Технические характеристики ATSM G32-16 полезны для сравнения ваших результатов с результатами других публикаций. Если вы хотите внедрить испытание на кавитационную эрозию в систему контроля качества, мы рекомендуем адаптировать протокол испытаний на кавитационную эрозию к вашим конкретным требованиям. Мы будем рады помочь вам в разработке индивидуального протокола испытаний на кавитационную эрозию. Для получения дополнительной информации об испытаниях на кавитационную эрозию в соответствии со стандартом ASTM-G32, пожалуйста, нажмите здесь!

Почему я должен использовать ограничение по энергии, а не по времени?

Во многих публикациях и протоколах испытаний на эрозию указано время воздействия кавитации. В ультразвуковых аппаратах Hielscher вы можете заранее установить время ультразвуковой обработки, и система остановится по истечении этого времени. Затем можно рассчитать результирующую скорость кавитационной эрозии в мм/ч или мм3/ч. Ограничение по времени допустимо только в том случае, если вы не меняете никаких параметров, таких как уровень жидкости, амплитуда, давление, температуру, состав жидкости или зазор между сонотродом и поверхностью материала. Если какой-либо из этих параметров изменится, то же самое произойдет с силой ультразвука и интенсивностью кавитации. Важно, чтобы фактическая полезная мощность, подаваемая на жидкость, не колебалась в течение всего испытания.
В ультразвуковых аппаратах Hielscher можно установить предел энергии. В этом случае ультразвуковой прибор остановится, после того как он подаст заданную ультразвуковую энергию. Устройство Hielscher будет отображать и записывать такие параметры, как фактическая полезная мощность, амплитуда, давление и температура жидкости. Колебания мощности или преднамеренное изменение параметров будут компенсированы при использовании энергетического лимита. Затем можно указать результирующую скорость кавитационной эрозии в мм/кВт·ч, мм3/кВт·ч или мг/кВтч.
Если взвесить образец между интервалами кавитационной эрозии, можно построить кривую, показывающую предельную потерю веса (скорость потери веса в каждом энергетическом интервале) по отношению к кумулятивной энергии.
Для получения более точных результатов прибор может выполнить автоматическую калибровку (30 секунд). Он измеряет мощность для установки амплитуды в воздухе при давлении окружающей среды. Устройство Hielscher использует эти данные калибровки для получения очень точных значений полезной мощности в режиме реального времени.

Давление жидкости во время ультразвуковой обработки

Во многих стандартных протоколах испытаний на кавитационную эрозию используется ультразвуковая кавитация при давлении окружающей среды. Давление жидкости является вторым по важности фактором интенсивности ультразвуковой обработки. Увеличение давления окружающей среды на 10% увеличит интенсивность ультразвуковой обработки примерно на 10%. Более интенсивная кавитация сокращает время, необходимое для достижения определенной степени кавитационной эрозии. Часто испытание одного образца может занять от 15 до 120 минут. Если вам предстоит испытать много образцов, работа при более высоком давлении может значительно сократить время каждого испытания. Испытания при давлении 5 бар изб. (73 фунта на кв. дюйм изб.) требуют примерно на 80% меньше времени для каждого испытания.
Hielscher поставляет герметичные испытательные ячейки с цифровым датчиком давления для испытаний на кавитационную эрозию. Используя герметичную ячейку, вы можете контролировать и поддерживать давление во время каждого испытания. Ультразвуковой генератор постоянно контролирует работу датчика давления и протоколирует фактическое давление в CSV-файл, совместимый с Excel, на SD-карте (входит в комплект). Hielscher поставляет регуляторы давления для установки и поддержания рабочего давления.
В стандартной комплектации герметичные испытательные ячейки Hielscher для испытаний на кавитационную эрозию рассчитаны на давление до 5 бар изб. Более высокое давление до 300 бар изб. (4350 фунтов на кв. дюйм изб.) доступно по запросу.

Ультразвуковая частота

Как правило, при испытании на кавитационную эрозию используется низкочастотный ультразвук высокой интенсивности в диапазоне 18-30 кГц. В этом диапазоне изменение частоты оказывает очень ограниченное влияние на интенсивность кавитации. Все устройства Hielscher работают с постоянной частотой.

Расстояние от Сонотрода

Испытуемый материал может быть установлен на сонотроде или под сонотродом. Можно изготовить образец из материала с резьбой и закрепить его на конце ультразвукового сонотрода. При этом образец вибрирует с заданной амплитудой ультразвука и производит кавитацию на своей поверхности. Для этого требуется прецизионная обработка, и не все материалы подходят для этого варианта.
В качестве альтернативы вы можете зафиксировать деталь или образец в непосредственной близости под титановым сонотродом. В этом случае сонотрод титана вызывает кавитацию, и поверхность материала подвергается кавитации. Это более удобный вариант, так как в испытательную ячейку можно помещать образцы различных размеров и форм. Если вы используете сонотрод большего размера, например, сонотрод диаметром 50 мм или 80 мм, вы можете подвергнуть кавитационной эрозии несколько деталей одновременно. Это очень полезно, когда вам нужно тестировать много деталей в день, например, для контроля качества.
В обоих случаях очень важно расстояние между ультразвуковым сонотродом и поверхностью материала рядом с ним. В целом, кавитационная эрозия происходит быстрее при использовании меньшего расстояния. Типичные расстояния варьируются от 0,2 до 15 мм. Для получения окончательных результатов следует использовать одно и то же расстояние для всех тестов.

Температура жидкости

Более теплая жидкость приводит к более низкой интенсивности ультразвуковой кавитации. Ввод энергии механической вибрации в жидкость приведет к ее нагреву. Чтобы поддерживать постоянную температуру во время каждого испытания на кавитационную эрозию, жидкость необходимо охлаждать. Hielscher поставляет контейнеры с рубашкой и герметичные ячейки с рубашкой. В качестве альтернативы вы можете использовать охлаждающий змеевик в стакане или поместить стакан в ледяную баню. Охлаждающая жидкость, которая проходит через рубашку или через охлаждающий змеевик, отводит тепло от жидкости.
Ультразвуковые устройства Hielscher, такие как UP400St или UIP1000hdT, поставляются с датчиком температуры PT100 (входит в комплект). Ультразвуковой генератор непрерывно контролирует фактическую температуру жидкости и протоколирует температуру в CSV-файл, совместимый с Excel, на SD-карте (входит в комплект). Вы можете настроить генератор на приостановку испытания на кавитационную эрозию, если температура жидкости слишком сильно отклоняется от заданного значения, например, из-за недостаточной охлаждающей способности. Генератор может автоматически возобновить ультразвуковую обработку, когда жидкость снова достигнет заданной температуры.

Кавитирующая жидкость

Как правило, при испытании на кавитационную эрозию используется вода, например, дистиллированная вода. Разные жидкости имеют разные кавитационные характеристики. Если вода вызывает коррозию по отношению к вашему материалу, вы можете захотеть протестировать альтернативные жидкости, такие как силиконовые масла с низкой вязкостью или органические растворители, чтобы устранить или уменьшить коррозионный фактор. В качестве альтернативы вы можете сделать жидкость более агрессивной, например, изменив pH или сделав ее более абразивной, добавив абразивные частицы. Вы можете использовать испытание на кавитационную эрозию для оценки эрозионной и коррозионной активности жидкостей, таких как буровые растворы, или для оценки эффективности коррозии или ингибиторов эрозии.

Обработки

При изготовлении детали или образца обработка, шлифовка или полировка с ЧПУ приводят к повреждению структуры зерна вблизи поверхности материала. Это снижает эрозионную стойкость.

Пассивационные/оксидные слои

Очень часто эрозия и коррозия случаются одновременно. Вода, такая как дистиллированная, деминерализованная или деионизированная вода, может вызывать коррозию многих материалов. Ультразвуковая кавитация способствует коррозии. Пассивационные слои, например, на анодированном алюминии, повышают устойчивость поверхности материала к эрозии и коррозии.

Какие ограничения имеют испытания на кавитационную эрозию?

Некоторые эластомеры могут потребовать очень интенсивного кавитационного воздействия, чтобы проявить кавитационную эрозию вообще. В этом случае ультразвуковая обработка без герметичной ячейки может не показать какого-либо измеримого эффекта.