Skúšanie kavitačnej erózie

Kavitačná erózia vzniká na povrchoch materiálov vystavených intenzívnej ultrazvukovej kavitácii. Skúšanie kavitačnej erózie je rýchla metóda merania odolnosti materiálov alebo povlakov proti erózii pri intenzívnom namáhaní a pôsobení ďalších eróznych faktorov. Poskytuje jednoduché kvantitatívne meranie na kontrolu kvality a je užitočná pri výskume materiálov alebo vývoji zloženia povlakov.

Prečo používať skúšanie kavitačnej erózie?

Prebiehajúca erózia alebo korózia môže vyžadovať pravidelnú výmenu dielov alebo obnovu povrchových povlakov. Erózia povrchu materiálu v dôsledku mechanických alebo chemických vplyvov je pomalý proces, ktorý vedie k postupnému ničeniu povrchov materiálov. Preto môže byť hodnotenie odolnosti materiálu proti erózii alebo erózneho účinku kvapalín a suspenzií časovo veľmi náročné.
Skúšanie kavitačnej erózie ultrazvukom vystavuje povrch materiálu riadeným, intenzívnym a opakujúcim sa cyklom namáhania. To vedie k výraznej erózii povrchu materiálu v krátkom čase. Odolnosť proti erózii môžete rýchlo zmerať na účely pravidelnej kontroly kvality vo výrobe, hodnotenia vstupných materiálov alebo počas výskumu a vývoja.
Medzi štandardné aplikácie patria metalurgické skúšky, skúšanie zloženia povlakov, skúšanie nanášania povlakov alebo hodnotenie inhibítorov erózie v kvapalinách.

Prečo kavitácia spôsobuje eróziu povrchu?

Ultrazvukové zariadenia, ako sú UP400St (400 wattov, 24kHz) alebo UIP1000hdT (1000 wattov, 20kHz), prenášajú ultrazvukové vibrácie do kvapalín, napríklad do vody. Rýchly kmitavý pohyb v kvapaline vyvoláva vznik a kolaps kavitačných bublín. Pri kolapse bublín vzniká v kvapaline a na exponovaných povrchoch materiálov vysoké lokálne mechanické namáhanie. Prúdy kvapaliny s rýchlosťou až 1000km/h a lokálne tlaky až 1000atm vedú k rýchlej únave povrchu materiálu. Tým sa môžu odstrániť oxidové alebo pasivačné vrstvy, povlaky alebo usadeniny. Môže to spôsobiť jamkovú eróziu pevných materiálov, ako sú oceľ, titán, hliník, plast alebo sklo. Skúšanie kavitačnej erózie je preto deštruktívnou skúšobnou metódou.

Ako funguje skúšanie kavitačnej erózie?

Kavitačná erózia povrchov materiálov spôsobuje postupný úbytok materiálu. Úbytok materiálu môžete jednoducho zmerať odvážením materiálu na presných váhach pred definovaným vystavením kavitačnej erózii a po ňom. Typická zmena hmotnosti pri skúške kavitačnej erózie je medzi 1 a 30mg. Na ďalšiu štandardizáciu môžete vypočítať objemový úbytok vydelením hmotnostného úbytku hustotou materiálu. Stredná hĺbka prieniku (MDP) sa vypočíta vydelením objemového úbytku plochou povrchu skúšobnej vzorky. Prípadne môžete merať hĺbku jamiek alebo vytlačený objem. Mikroskopickou analýzou môžete získať ďalšie kvalitatívne informácie o charaktere erózie.
Keď na skúšanie kavitačnej erózie používate ultrazvukové zariadenie Hielscher, môžete vopred nastaviť rozsah teploty a tlaku, pri ktorých chcete pracovať. Môžete nastaviť amplitúdu sonikácie. Všetky parametre sa monitorujú, zobrazujú a zaznamenávajú na kartu SD. Nemusíte inštalovať žiadny proprietárny softvér. Ak chcete, môžete ultrazvukový proces ovládať a monitorovať zo svojho bežného webového prehliadača, ak ultrazvukové zariadenie pripojíte k počítaču pomocou ethernetového kábla (súčasť dodávky).

Čo je štandardná metóda ASTM G32 na skúšanie kavitačnej erózie pomocou vibračného zariadenia?

Norma ASTM G32-16 opisuje štandardizovanú metódu skúšania kavitačnej erózie. Definuje jednoduchú, riaditeľnú a reprodukovateľnú skúšku na kvantifikáciu a porovnanie odolnosti rôznych materiálov voči kavitačnej erózii. Špecifikácie ATSM G32-16 sú užitočné na porovnanie vašich výsledkov s výsledkami v iných publikáciách. Ak chcete zaviesť skúšanie kavitačnej erózie do kontroly kvality, odporúčame prispôsobiť protokol skúšky kavitačnej erózie vašim špecifickým požiadavkám. Radi vám pomôžeme s návrhom protokolu skúšky kavitačnej erózie prispôsobeného vašim potrebám. Ďalšie informácie o skúšaní kavitačnej erózie podľa ASTM-G32 získate kliknutím sem!

Prečo by som mal používať energetický limit namiesto časového limitu?

Mnohé publikácie a protokoly skúšok erózie stanovujú čas vystavenia kavitácii. Na ultrazvukových zariadeniach Hielscher môžete vopred nastaviť čas sonikácie a systém sa po uplynutí tohto času zastaví. Následne môžete vypočítať výslednú rýchlosť kavitačnej erózie v mm/hr alebo mm3/hr. Časový limit je prijateľný iba vtedy, ak nemeníte žiadne parametre, ako sú hladina kvapaliny, amplitúda, tlak, teplota, zloženie kvapaliny alebo medzera medzi sonotródou a povrchom materiálu. Ak sa zmení ktorýkoľvek z týchto parametrov, zmení sa aj výkon sonikácie a intenzita kavitácie. Je dôležité, aby skutočný čistý výkon dodávaný do kvapaliny počas skúšky nekolísal.
Na ultrazvukových zariadeniach Hielscher môžete nastaviť energetický limit. V tomto prípade sa ultrazvukové zariadenie zastaví po dodaní stanoveného množstva ultrazvukovej energie. Zariadenie Hielscher zobrazuje a zaznamenáva parametre, ako sú skutočný čistý výkon, amplitúda, tlak a teplota kvapaliny. Pri použití energetického limitu sa kompenzuje kolísanie výkonu alebo zámerné zmeny parametrov. Výslednú rýchlosť kavitačnej erózie potom môžete vyjadriť v mm/kWhr, mm3/kWhr alebo mg/kWhr.
Ak skúšobnú vzorku odvážite medzi intervalmi kavitačnej erózie, môžete vytvoriť krivku zobrazujúcu čiastkový úbytok hmotnosti (rýchlosť úbytku hmotnosti v každom energetickom intervale) v závislosti od kumulatívnej energie.
Na dosiahnutie presnejších výsledkov môže zariadenie vykonať automatickú kalibráciu (30 sekúnd). Pri nej sa meria výkon pri všetkých nastaveniach amplitúdy vo vzduchu pri okolitom tlaku. Zariadenie Hielscher používa tieto kalibračné údaje na poskytovanie veľmi presných hodnôt čistého výkonu v reálnom čase.

Tlak kvapaliny počas sonikácie

Mnohé štandardné protokoly na skúšanie kavitačnej erózie využívajú ultrazvukovú kavitáciu pri okolitom tlaku. Tlak kvapaliny je druhým najdôležitejším faktorom ovplyvňujúcim intenzitu sonikácie. Zvýšenie okolitého tlaku o 10% zvýši intenzitu sonikácie približne o 10%. Intenzívnejšia kavitácia skracuje čas potrebný na dosiahnutie určitého stupňa kavitačnej erózie. Skúška jednej vzorky môže často trvať 15 až 120 minút. Ak potrebujete skúšať veľa vzoriek, práca pri vyšších tlakoch môže výrazne skrátiť čas každej skúšky. Skúšky pri 5 barg (73psig) si vyžadujú približne o 80% menej času na každú skúšku.
Hielscher dodáva tlakotesné skúšobné komory s digitálnym snímačom tlaku na skúšanie kavitačnej erózie. Pomocou tlakotesnej komory môžete regulovať a udržiavať tlak počas každej skúšky. Ultrazvukový generátor neustále monitoruje snímač tlaku a zaznamenáva aktuálny tlak do súboru CSV kompatibilného s programom Excel na kartu SD (súčasť dodávky). Hielscher dodáva regulátory tlaku na nastavenie a udržiavanie prevádzkového tlaku.
Tlakotesné skúšobné komory Hielscher na skúšanie kavitačnej erózie sú štandardne dimenzované na tlak až do 5barg (73psig). Vyššie tlaky až do 300barg (4350psig) sú k dispozícii na požiadanie.

Ultrazvuková frekvencia

Pri skúšaní kavitačnej erózie sa vo všeobecnosti používa ultrazvuk s nízkou frekvenciou a vysokou intenzitou v rozsahu 18–30kHz. V tomto rozsahu má zmena frekvencie len veľmi obmedzený vplyv na intenzitu kavitácie. Všetky zariadenia Hielscher pracujú pri konštantnej frekvencii.

Vzdialenosť od sonotródy

Skúšaný materiál možno upevniť na sonotródu alebo pod sonotródu. Môžete vyrobiť vzorku materiálu so závitom a upevniť ju na koniec ultrazvukovej sonotródy. V tomto prípade vzorka kmitá s nastavenou ultrazvukovou amplitúdou a vytvára na svojom povrchu kavitáciu. To si vyžaduje presné obrábanie a nie všetky materiály sú pre túto možnosť vhodné.
Prípadne môžete diel alebo vzorku upevniť do tesnej blízkosti pod titánovú sonotródu. V tomto prípade vytvára kavitáciu titánová sonotróda a povrch materiálu je vystavený kavitácii. Táto možnosť je praktickejšia, pretože do skúšobnej komory môžete umiestniť vzorky rôznych veľkostí alebo tvarov. Ak použijete väčšiu sonotródu, napríklad sonotródu s priemerom 50mm alebo 80mm, môžete kavitačnej erózii vystaviť viacero dielov súčasne. To je veľmi užitočné, keď musíte denne skúšať veľa dielov, napr. pri kontrole kvality.
V oboch prípadoch je veľmi dôležitá vzdialenosť medzi ultrazvukovou sonotródou a povrchom materiálu v jej blízkosti. Vo všeobecnosti je kavitačná erózia pri menšej vzdialenosti rýchlejšia. Typické vzdialenosti sa pohybujú od 0,2 do 15mm. Na získanie preukazných výsledkov by ste mali pri všetkých skúškach používať rovnakú vzdialenosť.

Teplota kvapaliny

Teplejšia kvapalina vedie k nižšej intenzite ultrazvukovej kavitácie. Prívod energie mechanického kmitania do kvapaliny spôsobuje jej zahrievanie. Aby sa počas každej skúšky kavitačnej erózie udržala konštantná teplota, kvapalinu je potrebné chladiť. Hielscher dodáva nádoby s plášťom a tlakotesné komory s plášťom. Prípadne môžete v kadičke použiť chladiacu špirálu alebo kadičku vložiť do ľadového kúpeľa. Chladiaca kvapalina prúdiaca cez plášť alebo chladiacu špirálu odvádza teplo z kvapaliny.
Ultrazvukové zariadenia Hielscher, ako napríklad UP400St alebo UIP1000hdT, sa dodávajú s teplotnou sondou PT100 (súčasť dodávky). Ultrazvukový generátor nepretržite monitoruje aktuálnu teplotu kvapaliny a zaznamenáva ju do súboru CSV kompatibilného s programom Excel na kartu SD (súčasť dodávky). Generátor môžete nastaviť tak, aby pozastavil skúšanie kavitačnej erózie, ak sa teplota kvapaliny príliš odchýli od nastavenej hodnoty, napr. v dôsledku nedostatočného chladiaceho výkonu. Generátor môže automaticky obnoviť sonikáciu, keď kvapalina opäť dosiahne nastavenú teplotu.

Kavitujúca kvapalina

Pri skúšaní kavitačnej erózie sa vo všeobecnosti používa voda, napríklad destilovaná voda. Rôzne kvapaliny vykazujú rôzne kavitačné vlastnosti. Ak voda pôsobí na váš materiál korozívne, môžete vyskúšať alternatívne kvapaliny, napríklad silikónové oleje s nízkou viskozitou alebo organické rozpúšťadlá, aby ste odstránili alebo znížili korozívny vplyv. Prípadne môžete zvýšiť korozívnosť kvapaliny, napr. zmenou pH, alebo jej abrazívnosť pridaním abrazívnych častíc. Skúšanie kavitačnej erózie môžete použiť na hodnotenie erozívnosti a korozívnosti kvapalín, napríklad vrtných výplachov, alebo na hodnotenie účinnosti inhibítorov korózie alebo erózie.

Obrábanie

Pri výrobe dielu alebo skúšobnej vzorky spôsobuje CNC obrábanie, brúsenie alebo leštenie poškodenie štruktúry zŕn v blízkosti povrchu materiálu. Tým sa znižuje odolnosť proti erózii.

Pasivačné/oxidové vrstvy

Erózia a korózia veľmi často prebiehajú súčasne. Voda, napríklad destilovaná, demineralizovaná alebo deionizovaná voda, môže na mnohé materiály pôsobiť korozívne. Ultrazvuková kavitácia podporuje koróziu. Pasivačné vrstvy, napr. na eloxovanom hliníku, zvyšujú odolnosť povrchu materiálu proti erózii a korózii.

Aké obmedzenia má skúšanie kavitačnej erózie?

Niektoré elastoméry môžu vyžadovať vystavenie veľmi intenzívnej kavitácii, aby sa na nich vôbec prejavila kavitačná erózia. V takom prípade nemusí sonikácia bez tlakovej komory vykazovať žiadny merateľný účinok.