Испытания на кавитационную эрозию

Кавитационная эрозия возникает на поверхностях материалов, подвергающихся воздействию интенсивной ультразвуковой кавитации. Испытания на кавитационную эрозию – это быстрый метод измерения стойкости материалов или покрытий к эрозии под воздействием интенсивных напряжений и других эрозионных факторов. Этот метод обеспечивает простое количественное измерение для контроля качества и полезен при исследовании материалов или разработке составов покрытий.

Зачем проводить испытания на кавитационную эрозию?

Продолжающаяся эрозия или коррозия может потребовать регулярной замены деталей или обновления поверхностных покрытий. Эрозия поверхности материала вследствие механических или химических воздействий – это медленный процесс, приводящий к постепенному разрушению поверхностей материала. Поэтому оценка стойкости материала к эрозии или эрозионного воздействия жидкостей и суспензий может занимать очень много времени.
При испытаниях на ультразвуковую кавитационную эрозию поверхность материала подвергается контролируемым, интенсивным, повторяющимся циклам напряжений. Это приводит к значительной эрозии поверхности материала за короткое время. Вы можете быстро измерить стойкость к эрозии для регулярного контроля качества на производстве, оценки поступающих материалов или в ходе исследований и разработок.
Типичные области применения включают металлургические испытания, испытания составов покрытий, испытания нанесения покрытий или оценку ингибиторов эрозии в жидкостях.

Почему кавитация вызывает эрозию поверхности?

Ультразвуковые устройства, такие как UP400St (400 watts, 24kHz) или UIP1000hdT (1000 watts, 20kHz), передают ультразвуковые колебания в жидкости, например в воду. Быстрое возвратно-поступательное движение при колебаниях в жидкости вызывает образование и схлопывание кавитационных пузырьков. При схлопывании пузырьков в жидкости и на подвергающихся воздействию поверхностях материалов возникают высокие локальные механические напряжения. Струи жидкости со скоростью до 1000km/h и локальные давления до 1000atm приводят к быстрому развитию усталости на поверхности материала. Это может удалять оксидные или пассивирующие слои, покрытия или загрязнения. Это может вызывать образование углублений в твёрдых материалах, таких как сталь, титан, алюминий, пластик или стекло. Таким образом, испытания на кавитационную эрозию являются методом разрушающего контроля.

Как проводятся испытания на кавитационную эрозию?

Кавитационная эрозия поверхностей материалов вызывает постепенную потерю материала. Вы можете легко измерить потерю материала, взвесив его на прецизионных весах до и после заданного воздействия кавитационной эрозии. Типичное изменение массы при испытании на кавитационную эрозию составляет от 1 до 30 мг. Для дальнейшей стандартизации можно рассчитать потерю объёма, разделив потерю массы на плотность материала. Средняя глубина проникновения (MDP) рассчитывается делением потери объёма на площадь поверхности образца. В качестве альтернативы можно измерить глубину образовавшихся углублений или вытесненный объём. Микроскопический анализ позволяет получить дополнительную качественную информацию о характере эрозии.
При использовании ультразвукового устройства Hielscher для испытаний на кавитационную эрозию вы можете заранее задать диапазоны температуры и давления, в которых хотите работать. Вы можете регулировать амплитуду обработки ультразвуком. Все параметры контролируются, отображаются и регистрируются на SD-карте. Установка какого-либо специализированного программного обеспечения не требуется. При желании вы можете управлять ультразвуковым процессом и контролировать его из своего обычного веб-браузера, подключив ультразвуковое устройство к компьютеру с помощью кабеля Ethernet (входит в комплект).

Что представляет собой стандартный метод ASTM G32 для испытаний на кавитационную эрозию с использованием вибрационного аппарата?

Стандарт ASTM G32-16 описывает стандартизированный метод испытаний на кавитационную эрозию. Он определяет простое, контролируемое и воспроизводимое испытание для количественной оценки и сравнения стойкости различных материалов к кавитационной эрозии. Требования ATSM G32-16 полезны для сравнения ваших результатов с результатами других публикаций. Если вы хотите внедрить испытания на кавитационную эрозию в контроль качества, мы рекомендуем адаптировать протокол испытаний на кавитационную эрозию к вашим конкретным требованиям. Мы будем рады помочь вам разработать индивидуальный протокол испытаний на кавитационную эрозию. Чтобы получить дополнительную информацию об испытаниях на кавитационную эрозию в соответствии с ASTM-G32, нажмите здесь!

Почему следует использовать ограничение по энергии вместо ограничения по времени?

Во многих публикациях и протоколах испытаний на эрозию задаётся время кавитационного воздействия. В ультразвуковых устройствах Hielscher можно заранее задать время обработки ультразвуком, и система остановится по истечении этого времени. Затем можно рассчитать полученную скорость кавитационной эрозии в мм/ч или мм3/ч. Ограничение по времени допустимо только при условии, что вы не изменяете какие-либо параметры, такие как уровень жидкости, амплитуда, давление, температура, состав жидкости или зазор между сонотродом и поверхностью материала. При изменении любого из этих параметров изменятся также мощность обработки ультразвуком и интенсивность кавитации. Важно, чтобы фактическая полезная мощность, передаваемая в жидкость, не колебалась на протяжении испытания.
В ультразвуковых устройствах Hielscher можно установить ограничение по энергии. В этом случае ультразвуковое устройство остановится после передачи заданной ультразвуковой энергии. Устройство Hielscher будет отображать и регистрировать такие параметры, как фактическая полезная мощность, амплитуда, давление и температура жидкости. При использовании ограничения по энергии колебания мощности или намеренные изменения параметров будут компенсироваться. Затем можно указать полученную скорость кавитационной эрозии в мм/(кВт·ч), мм3/(кВт·ч) или мг/(кВт·ч).
Если взвешивать образец между интервалами кавитационной эрозии, можно построить кривую, показывающую приращение потери массы (скорость потери массы в каждом энергетическом интервале) в зависимости от накопленной энергии.
Для получения более точных результатов устройство может выполнить автоматическую калибровку (30 секунд). При этом измеряется мощность для всех настроек амплитуды в воздухе при давлении окружающей среды. Устройство Hielscher использует эти калибровочные данные для выдачи очень точных значений полезной мощности в реальном времени.

Давление жидкости при обработке ультразвуком

Многие стандартные протоколы испытаний на кавитационную эрозию предусматривают использование ультразвуковой кавитации при давлении окружающей среды. Давление жидкости – второй по важности фактор, определяющий интенсивность обработки ультразвуком. Повышение давления окружающей среды на 10% увеличит интенсивность обработки ультразвуком примерно на 10%. Более интенсивная кавитация сокращает время, необходимое для достижения определённой степени кавитационной эрозии. Часто испытание одного образца может занимать от 15 до 120 минут. Если необходимо испытать много образцов, работа при более высоких давлениях может значительно сократить время каждого испытания. Испытания при 5 barg (73psig) требуют примерно на 80% меньше времени на каждое испытание.
Hielscher поставляет герметичные испытательные ячейки с цифровым датчиком давления для испытаний на кавитационную эрозию. Использование герметичной ячейки позволяет контролировать и поддерживать давление в ходе каждого испытания. Ультразвуковой генератор постоянно контролирует датчик давления и регистрирует фактическое давление в совместимом с Excel CSV-файле на SD-карте (входит в комплект). Hielscher поставляет регуляторы давления для установки и поддержания рабочего давления.
В стандартном исполнении герметичные испытательные ячейки Hielscher для испытаний на кавитационную эрозию рассчитаны на давление до 5barg (73psig). По запросу доступны варианты для более высоких давлений до 300barg (4350psig).

Частота ультразвука

Как правило, при испытаниях на кавитационную эрозию используется низкочастотный ультразвук высокой интенсивности в диапазоне 18–30kHz. В этом диапазоне изменение частоты оказывает очень ограниченное влияние на интенсивность кавитации. Все устройства Hielscher работают на постоянной частоте.

Расстояние от сонотрода

Испытуемый материал можно закрепить на сонотроде или под сонотродом. Можно изготовить образец материала с резьбой и закрепить его на конце ультразвукового сонотрода. В этом случае образец колеблется с заданной амплитудой ультразвуковых колебаний и создаёт кавитацию на своей поверхности. Это требует прецизионной механической обработки, и не все материалы подходят для такого варианта.
В качестве альтернативы можно закрепить деталь или образец в непосредственной близости под титановым сонотродом. В этом случае титановый сонотрод создаёт кавитацию, а поверхность материала подвергается её воздействию. Этот вариант удобнее, поскольку в испытательную ячейку можно помещать образцы различных размеров и форм. При использовании более крупного сонотрода, например диаметром 50mm или 80mm, можно одновременно подвергать кавитационной эрозии несколько деталей. Это очень полезно, когда необходимо испытывать много деталей в день, например для контроля качества.
В обоих случаях расстояние между ультразвуковым сонотродом и расположенной рядом с ним поверхностью материала очень важно. Как правило, при меньшем расстоянии кавитационная эрозия происходит быстрее. Типичные расстояния составляют от 0,2 до 15mm. Для получения убедительных результатов следует использовать одинаковое расстояние во всех испытаниях.

Температура жидкости

Более тёплая жидкость приводит к более низкой интенсивности ультразвуковой кавитации. Введение энергии механических колебаний в жидкость вызывает её нагрев. Для поддержания постоянной температуры в ходе каждого испытания на кавитационную эрозию жидкость необходимо охлаждать. Hielscher поставляет ёмкости с рубашкой и герметичные ячейки с рубашкой. В качестве альтернативы можно использовать охлаждающий змеевик в лабораторном стакане или поместить стакан в ледяную баню. Теплоноситель, проходящий через рубашку или охлаждающий змеевик, отводит тепло от жидкости.
Ультразвуковые устройства Hielscher, такие как UP400St или UIP1000hdT, оснащаются температурным зондом PT100 (входит в комплект). Ультразвуковой генератор непрерывно контролирует фактическую температуру жидкости и регистрирует её в совместимом с Excel CSV-файле на SD-карте (входит в комплект). Можно настроить генератор на приостановку испытания на кавитационную эрозию, если температура жидкости слишком сильно отклонится от заданного значения, например из-за недостаточной охлаждающей мощности. Генератор может автоматически возобновить обработку ультразвуком, когда жидкость снова достигнет заданной температуры.

Кавитирующая жидкость

Как правило, при испытаниях на кавитационную эрозию используется вода, например дистиллированная. Разные жидкости имеют разные кавитационные характеристики. Если вода вызывает коррозию вашего материала, вы можете испытать альтернативные жидкости, такие как маловязкие силиконовые масла или органические растворители, чтобы устранить или уменьшить коррозионный фактор. В качестве альтернативы можно сделать жидкость более коррозионно-активной, например изменив pH, или более абразивной, добавив абразивные частицы. Испытания на кавитационную эрозию можно использовать для оценки эрозионной и коррозионной активности жидкостей, таких как буровые растворы, или для оценки эффективности ингибиторов коррозии или эрозии.

Механическая обработка

При изготовлении детали или образца обработка на станках с ЧПУ, шлифование или полирование вызывают повреждения зеренной структуры вблизи поверхности материала. Это снижает стойкость к эрозии.

Пассивирующие/оксидные слои

Очень часто эрозия и коррозия происходят одновременно. Вода, например дистиллированная, деминерализованная или деионизированная, может вызывать коррозию многих материалов. Ультразвуковая кавитация способствует коррозии. Пассивирующие слои, например на анодированном алюминии, повышают стойкость поверхности материала к эрозии и коррозии.

Какие ограничения имеют испытания на кавитационную эрозию?

Для некоторых эластомеров может потребоваться очень интенсивное кавитационное воздействие, чтобы вообще проявилась какая-либо кавитационная эрозия. В этом случае обработка ультразвуком без ячейки под давлением может не дать какого-либо измеримого эффекта.