Praktické skúšanie kavitačnej erózie bronzových povlakov pre námorné aplikácie

Skúšanie kavitačnej erózie je najužitočnejšie vtedy, keď prepája kontrolované laboratórne vystavenie kavitácii so skutočným technickým problémom. Praktickým príkladom je hodnotenie bronzových povlakov odolných voči kavitácii pre námorné komponenty, ako sú lodné kormidlá a lodné skrutky. Tieto diely pracujú v oblastiach, kde môžu lokálne výkyvy tlaku vytvárať parné bubliny, ktoré kolabujú v blízkosti povrchu a vytvárajú opakované nárazové zaťaženia vysokej intenzity. Časom to spôsobuje tvorbu jamiek, únavové poškodenie, zlyhanie povlaku a úbytok materiálu.

Skúška kavitačnej erózie bronzových povlakov

V štúdii Hauera a kol. sa bronzové povlaky vytvorené nástrekom za studena, nástrekom za tepla, nástrekom HVOF a elektrickým oblúkovým nástrekom porovnávali s liatym niklovo-hliníkovým bronzom a lodnou oceľou. Hlavná otázka bola jednoduchá: ktorý proces nanášania povlaku dokáže vytvoriť bronzový povrch, ktorý odoláva pôsobeniu kavitácie dostatočne dlho na prevádzku v námornom prostredí? Na zodpovedanie tejto otázky výskumníci použili skúšku kavitačnej erózie založenú na norme ASTM G32-16 s vibračným zariadením, pričom ako skúšobný systém použili aj ultrazvukový vibračný systém Hielscher UIP1000hdT.

Presné riadenie skúšobných podmienok a automatizovaný záznam údajov

Sonikátor UIP1000hdT je vhodný na tento typ skúšky, pretože poskytuje nízkofrekvenčný ultrazvuk vysokej intenzity v rozsahu používanom pri skúšaní kavitačnej erózie. Zostava na skúšku kavitačnej erózie využívajúca sonikátor s výkonom 1000 wattov pracuje pri frekvencii 20 kHz a umožňuje presné monitorovanie procesu, riadenie amplitúdy, meranie teploty a automatické protokolovanie skúšobných údajov. Tieto funkcie sú dôležité, pretože intenzita kavitácie výrazne závisí od amplitúdy, teploty kvapaliny, tlaku kvapaliny, geometrie sonotródy a vzdialenosti medzi sonotródou a skúšobnou vzorkou.

(a) Skúška kavitačnej erózie podľa normy ASTM G32-16 so sonikátorom UIP1000hd (nepriama metóda). Všetky skúšobné parametre sú menovité hodnoty; tolerancie sú uvedené v norme.
(b) Schematické fázy na krivke závislosti erózie od času a charakteristické parametre skúšobného postupu.
Grafické znázornenia a štúdia: ©Hauer et al., 2021.

Ultrazvuková skúška kavitačnej erózie bronzových povlakov

V príklade bronzového povlaku pre námorné aplikácie sa skúška vykonala v nepriamom usporiadaní podľa normy ASTM G32. V tejto konfigurácii nie je skúšobná vzorka pripevnená k vibrujúcemu nadstavcu. Ultrazvuková sonotróda namiesto toho vytvára kavitáciu v destilovanej vode a vzorka s povlakom je upevnená pod sonotródou s definovanou medzerou. Hauer a kol. použili vzdialenosť medzi vzorkou a sonotródou 0,5 mm, frekvenciu 20 kHz a amplitúdu od špičky po špičku 50 µm. Skúšobnou kvapalinou bola destilovaná voda udržiavaná približne pri izbovej teplote, okolo 25 °C.

Príprava skúšobnej vzorky je kľúčovým krokom. Pred vystavením kavitácii sa povrchy s povlakom postupne brúsili a leštili až po použitie jemného diamantového abrazíva so zrnitosťou pod 4 µm. Tým sa znižuje vplyv voľne prichytených častíc alebo povrchových nerovností, ktoré by sa inak mohli okamžite oddeliť a skresliť eróznu krivku. Cieľom nie je dosiahnuť pekný vzhľad povlaku, ale vytvoriť reprodukovateľný východiskový stav, aby nameraný úbytok hmotnosti odrážal odolnosť voči kavitácii, a nie nedostatočnú prípravu povrchu.

Postup skúšania ultrazvukovej kavitačnej erózie a jeho výsledky

Praktický postup skúšky je jednoduchý. Najprv sa každá vzorka očistí, vysuší a odváži na presných váhach. Potom sa upevní do skúšobnej cely pod sonotródu BS4d22 sonikátora UIP1000hdT, pričom sa starostlivo a opakovateľne nastaví medzera 0,5 mm. Sonikátor sa prevádzkuje pri stanovenej amplitúde a frekvencii, zatiaľ čo sa reguluje teplota kvapaliny, aby sa zabránilo zmene intenzity kavitácie v dôsledku zahrievania. Po stanovenom intervale expozície sa vzorka vyberie, očistí, vysuší a opäť odváži. Tento postup sa opakuje v predlžujúcich sa intervaloch expozície závislých od materiálu, až kým sa nezíska úplná erózna krivka.
Priamo meranou veličinou je úbytok hmotnosti. Na technické porovnanie sa tento úbytok hmotnosti prepočíta pomocou hustoty materiálu na úbytok objemu. Úbytok objemu sa potom vydelí plochou exponovaného povrchu, čím sa určí priemerná hĺbka erózie. Z krivky hĺbky erózie môže výskumník vypočítať charakteristické parametre erózie, ako sú maximálna rýchlosť erózie, konečná rýchlosť erózie a priemerná hĺbka erózie. Hielscher tiež uvádza, že v závislosti od zvoleného protokolu možno eróziu vyjadriť ako úbytok hmotnosti, úbytok objemu alebo hĺbku prieniku za jednotku času alebo na jednotku dodanej ultrazvukovej energie.

Priemerné hĺbky erózie v závislosti od upravených parametrov kvality povlaku n. Žíhanie prášku a s ním spojené zníženie pevnosti prášku umožňujú dosiahnuť vysokú kvalitu povlakov. Vložené obrázky zobrazujú poškodenie povrchu po 100min kavitačnej skúšky.
Grafy a štúdia: ©Hauer et al., 2021.

Jedným z dôležitých poznatkov Hauerovej štúdie je, že počiatočné rýchlosti erózie môžu byť zavádzajúce. Povlaky vytvorené žiarovým a kinetickým nástrekom často vykazovali vysoký počiatočný úbytok materiálu, po ktorom nasledovala nižšia a stabilnejšia rýchlosť erózie. Z tohto dôvodu Hauer et al. použili konečnú rýchlosť erózie ako reprezentatívnejší ukazovateľ dlhodobých úžitkových vlastností povlaku. Pri ich 120-minútovom porovnaní sa konečná rýchlosť erózie vyhodnocovala najmä z druhej polovice skúšky, po uplynutí 60 minút, aby sa lepšie zachytilo ustálené správanie.

Výsledky skúšky ukazujú, prečo je riadené vibračné kavitačné zariadenie cenným nástrojom. Liaty niklovo-hliníkový bronz dosiahol konečnú rýchlosť erózie približne 0,40 µm/h. Optimalizovaný bronz nanesený nástrekom za tepla dosiahol 0,57 µm/h, čo sa blížilo liatemu referenčnému materiálu. Optimalizovaný povlak nanesený oblúkovým nástrekom na lodiarsku oceľ dosiahol približne 1,02 µm/h, zatiaľ čo optimalizovaný povlak HVOF dosiahol približne 1,74 µm/h. Aj keď tieto povlaky úplne nedosiahli vlastnosti liateho bronzu na lodné skrutky, výrazne prekonali lodiarsku oceľ; štúdia uvádza, že povlaky nanesené oblúkovým nástrekom dosiahli približne 26-krát a povlaky nanesené nástrekom HVOF približne 16-krát lepšiu odolnosť proti kavitácii než oceľ VL-A.

Použite sonikátor ako vibračné zariadenie na skúšky kavitačnej erózie

Praktickým záverom je, že skúšanie kavitačnej erózie so sonikátorom UIP1000hdT ako vibračným zariadením umožňuje viac než len zostaviť poradie materiálov. Odhaľuje, ako proces nanášania povlaku, mikroštruktúra, obsah oxidov, pórovitosť, spojenie na rozhraní a následná úprava ovplyvňujú skutočné erózne správanie. Hauer et al. dospeli k záveru, že nástrek HVOF a oblúkový nástrek môžu ponúknuť výhodný kompromis medzi úžitkovými vlastnosťami a nákladmi pri zlepšovaní povrchov oceľových kormidiel, zatiaľ čo nástrek za studena a za tepla sa uprednostňujú vtedy, keď sa vyžaduje odolnosť proti kavitácii blízka masívnemu niklovo-hliníkovému bronzu.

Pre laboratóriá a vývojárov povlakov je kľúčom k reprodukovateľným výsledkom dôsledná kontrola skúšobných parametrov: amplitúdy sonotródy, frekvencie, vzdialenosti medzi sonotródou a vzorkou, teploty kvapaliny, chemického zloženia kvapaliny, prípravy vzorky, intervalov váženia a výpočtu rýchlosti erózie. Pri takto stanovených podmienkach poskytuje Hielscher UIP1000hdT praktický a opakovateľný spôsob, ako previesť ultrazvukovú kavitáciu na kvantitatívne údaje o úžitkových vlastnostiach povlakov.

Vzorový pracovný hárok na skúšanie kavitačnej erózie

 
Pokyny na skúšky kavitačnej erózie nájdete tu!

Skúšobná zostava na skúšanie kavitačnej erózie podľa ASTM G32

Sonikátory UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT a UIP2000hdT sú vhodné na skúšky podľa ASTM G32. Každé z týchto zariadení môžeme dodať s presným protokolom merania amplitúdy mechanického kmitania na hrote sonotródy. Odporúčame používať ktorékoľvek z týchto zariadení so sonotródou BS4d22 (priemer 22mm) a stojanom ST2.

Sonotróda 15,9mm s vymeniteľným hrotom podľa ASTM G32 -16

Návrh, výroba a poradenstvo – kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové zariadenia Hielscher sú známe svojou najvyššou kvalitou a najvyššími konštrukčnými štandardmi. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových zariadení do priemyselných prevádzok. Ultrazvukové zariadenia Hielscher ľahko zvládajú drsné podmienky a náročné prostredia.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť certifikovaná podľa ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia, ktoré sa vyznačujú najmodernejšou technológiou a používateľskou prívetivosťou. Ultrazvukové zariadenia Hielscher samozrejme spĺňajú požiadavky CE aj požiadavky UL, CSA a RoHs.

Literatúra / Referencie

• 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.