Praktické testovanie kavitácie a erózie náterov z námornej bronzy

Skúšanie kavitačnej erózie je najužitočnejšie vtedy, keď spája kontrolované laboratórne testovanie s reálnym technickým problémom. Praktickým príkladom je hodnotenie kavitáciou odolných bronzových povlakov pre námorné komponenty, ako sú lodné kormidlá a vrtule. Tieto súčasti pracujú v zónach, kde miestne kolísania tlaku môžu vytvárať parné bubliny, ktoré sa zrútia v blízkosti povrchu, čím vznikajú opakované nárazové zaťaženia s vysokou intenzitou. V priebehu času to vedie k vzniku jamiek, únavovému poškodeniu, zlyhaniu povlaku a strate materiálu.

Skúška kavitácie a erózie bronzových povlakov

V štúdii autorov Hauer a kol. boli porovnané bronzové povlaky vyrobené metódami studeného striekania, teplého striekania, HVOF striekania a oblúkového striekania s odliatkom z niklovo-hliníkového bronzu a lodnou oceľou. Hlavná otázka bola jednoduchá: ktorý proces nanášania povlaku dokáže vytvoriť bronzový povrch, ktorý vydrží pôsobenie kavitácie dostatočne dlho na to, aby bol vhodný pre použitie v námornom prostredí? Na jej zodpovedanie výskumníci použili test kavitačnej erózie podľa normy ASTM G32-16 s vibračným zariadením, vrátane ultrazvukového vibračného systému Hielscher UIP1000hdT ako testovacieho systému.

Presné riadenie testovacích podmienok a automatizované zaznamenávanie údajov

Ultrazvukový generátor UIP1000hdT je pre tento typ skúšky veľmi vhodný, pretože poskytuje vysokointenzívny nízkofrekvenčný ultrazvuk v rozsahu používanom pri skúškach kavitačnej erózie. Zariadenie na testovanie kavitačnej erózie s ultrazvukovým generátorom s výkonom 1 000 W pracuje pri frekvencii 20 kHz a umožňuje presné monitorovanie procesu, reguláciu amplitúdy, meranie teploty a automatické zaznamenávanie testovacích údajov. Tieto funkcie sú dôležité, pretože intenzita kavitácie silne závisí od amplitúdy, teploty kvapaliny, tlaku kvapaliny, geometrie sonotródy a vzdialenosti medzi sonotródou a skúšobným vzorkom.

(a) Skúška kavitačnej erózie podľa normy ASTM G32-16 s použitím ultrazvukového zariadenia UIP1000hd (nepriama metóda). Všetky parametre skúšky sú menovité hodnoty; tolerancie sú uvedené v norme.
(b) Schematické fázy na krivke erózie v čase a charakteristické parametre v skúšobnom postupe.
Grafika a štúdia: ©Hauer a kol., 2021.

Skúška erózie bronzových povlakov pomocou ultrazvukovej kavitácie

V prípade príkladu s povlakom z námornej bronzy sa skúška vykonala v nepriamom usporiadaní podľa normy ASTM G32. V tejto konfigurácii nie je vzorka pripevnená k vibrujúcemu rohu. Namiesto toho ultrazvuková sonotróda vyvoláva kavitáciu v destilovanej vode a povlakovaná vzorka je upevnená pod sonotródou vo vopred stanovenej vzdialenosti. Hauer a kol. použili vzdialenosť 0,5 mm medzi vzorkou a sonotródom, frekvenciu 20 kHz a amplitúdu špička-špička 50 µm. Skúšobnou kvapalinou bola destilovaná voda udržiavaná približne na izbovej teplote, okolo 25 °C.

Príprava vzoriek je kľúčovým krokom. Pred vystavením kavitácii boli povrchy s povlakom postupne brúsené a leštené jemným diamantovým brúsivom s veľkosťou zŕn menšou ako 4 µm. Tým sa znižuje vplyv voľne ulpených častíc alebo nerovností povrchu, ktoré by sa inak mohli okamžite odlúčiť a skresliť eroznú krivku. Cieľom nie je dosiahnuť, aby povlak vyzeral dobre, ale vytvoriť reprodukovateľné počiatočné podmienky, aby nameraná strata hmotnosti odrážala odolnosť voči kavitácii a nie nedostatočnú prípravu povrchu.

Postup skúšania erózie ultrazvukovou kavitáciou a jej výsledky

Postup praktického testovania je jednoduchý. Najskôr sa každý vzorka očistí, vysuší a zváži na presných váhach. Následne sa umiestni do testovacej komory pod sonotródu BS4d22 ultrazvukového zariadenia UIP1000hdT, pričom sa starostlivo a opakovateľne nastaví medzera 0,5 mm. Ultrazvukový prístroj pracuje pri definovanej amplitúde a frekvencii, pričom sa reguluje teplota kvapaliny, aby sa zabránilo zmenám intenzity kavitácie v dôsledku zahrievania. Po uplynutí definovaného intervalu pôsobenia sa vzorka vyberie, očistí, vysuší a opäť zváži. Táto sekvencia sa opakuje pri postupne sa zvyšujúcich intervaloch pôsobenia, ktoré závisia od materiálu, až kým sa nezíska kompletná erozná krivka.
Surovým meraním je úbytok hmotnosti. Na účely technického porovnania sa tento úbytok hmotnosti pomocou hustoty materiálu prepočíta na úbytok objemu. Úbytok objemu sa následne vydelí plochou vystavenej povrchovej plochy, čím sa určí priemerná hĺbka erózie. Na základe krivky hĺbky erózie môže výskumník vypočítať charakteristické parametre erózie, ako sú maximálna rýchlosť erózie, konečná rýchlosť erózie a priemerná hĺbka erózie. Hielscher tiež poznamenáva, že erózia sa môže uvádzať ako hmotnosť, objem alebo hĺbka penetrácie za jednotku času alebo na dodanú ultrazvukovú energiu, v závislosti od zvoleného protokolu.

Priemerné hĺbky erózie ako funkcia upravených parametrov kvality povlaku n. Žíhanie prášku a tým znížená pevnosť prášku umožňuje dosiahnuť vysokú kvalitu povlaku. Na obrázkoch sú znázornené poškodenia povrchu, ktoré vznikli po 100 minútach kavitačného testovania.
Grafy a štúdia: ©Hauer a kol., 2021.

Jedným z dôležitých poznatkov zo štúdie Hauera je, že počiatočné rýchlosti erózie môžu byť zavádzajúce. Povlaky nanesené tepelným a kinetickým nástrekom často vykazovali vysokú počiatočnú stratu materiálu, po ktorej nasledovala nižšia, stabilnejšia rýchlosť erózie. Z tohto dôvodu Hauer a kol. použili konečnú rýchlosť erózie ako reprezentatívnejší ukazovateľ dlhodobej výkonnosti povlaku. V ich 120-minútovom porovnaní bola konečná rýchlosť erózie vyhodnocovaná hlavne z druhej polovice testu, po 60 minútach, aby bolo možné lepšie zachytiť stabilizované správanie.

Výsledky testov ukazujú, prečo je zariadenie na riadenú vibračnú kavitáciu cenné. Odliatok z niklovo-hliníkového bronzu dosiahol konečnú rýchlosť erózie približne 0,40 µm/h. Optimalizovaný bronz nanesený teplým nástrekom dosiahol 0,57 µm/h, čo je hodnota blízka referenčnému odliatku. Optimalizovaný oblúkovo nanášaný povlak na lodnej oceli dosiahol rýchlosť približne 1,02 µm/h, zatiaľ čo optimalizovaný HVOF povlak dosiahol rýchlosť približne 1,74 µm/h. Aj keď tieto povlaky nedosiahli úplne rovnaké výsledky ako odliatok z bronzovej zliatiny pre vrtule, výrazne prekonali lodnú oceľ; štúdia uvádza, že povlaky nanesené oblúkovým striekaním a HVOF dosiahli približne 26-násobne, resp. 16-násobne vyššiu odolnosť proti kavitácii v porovnaní s oceľou VL-A.

Použite sonikátor ako vibračné zariadenie pre vaše skúšky kavitačnej erózie

Z toho vyplýva praktický záver, že testovanie kavitačnej erózie s použitím ultrazvukového zariadenia UIP1000hdT ako vibračného prístroja dokáže viac než len zoradiť materiály podľa odolnosti. Ukazuje, ako proces nanášania povlaku, mikrostruktúra, obsah oxidov, poréznosť, väzba na rozhraní a následná úprava ovplyvňujú skutočné erozívne správanie. Hauer a kol. dospeli k záveru, že techniky HVOF a oblúkové striekanie môžu ponúknuť dobrý kompromis medzi výkonom a nákladmi pri zlepšovaní povrchov oceľových kormidiel, zatiaľ čo studené a teplé striekanie sa uprednostňujú v prípadoch, keď je požadovaná odolnosť proti kavitácii blízka tej, ktorú má hromadný niklovo-hliníkový bronz.

Pre laboratóriá a vývojárov povlakov je kľúčom k reprodukovateľným výsledkom prísna kontrola testovacích parametrov: amplitúda sonotródy, frekvencia, vzdialenosť medzi sonotródou a vzorkou, teplota kvapaliny, chemické zloženie kvapaliny, príprava vzorky, intervaly váženia a výpočet rýchlosti erózie. Pri splnení týchto podmienok poskytuje zariadenie Hielscher UIP1000hdT praktický a opakovateľný spôsob, ako premeniť ultrazvukovú kavitáciu na kvantitatívne údaje o vlastnostiach povlaku.

Vzorový pracovný list pre testovanie kavitačnej erózie

 
Pokyny k skúškam kavitačnej erózie nájdete tu!

Zariadenie na skúšku kavitačnej erózie podľa normy ASTM G32

Ultrazvukové zariadenia UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT a UIP2000hdT sú vhodné na testovanie podľa normy ASTM G32. Každé z týchto zariadení vieme dodať s presným Protokol merania amplitúdy mechanickej amplitúdy na špičke sonotródy. Odporúčame používať ktorékoľvek z týchto zariadení so sonotródou BS4d22 (priemer 22 mm) a stojanom ST2.

ASTM G32 -16 15,9 mm sonotróda s vymeniteľným hrotom

Dizajn, výroba a poradenstvo – Kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojou najvyššou kvalitou a dizajnovými štandardmi. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných zariadení. Drsné podmienky a náročné prostredie ľahko zvládnu ultrazvukové prístroje Hielscher.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a užívateľskou prívetivosťou. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú samozrejme v súlade s CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.

Literatúra / Referencie