Praktično preskušanje kavitacijske erozije premazov iz morske bronaste zlitine

Preskušanje kavitacijske erozije je najbolj koristno, kadar povezuje nadzorovano laboratorijsko izpostavljanje z dejanskim inženirskim problemom. Praktičen primer je ocenjevanje kavitacijsko odpornih bronastih premazov za pomorske komponente, kot so ladijska krmila in propelerji. Ti deli delujejo v območjih, kjer lahko lokalna nihanja tlaka povzročijo nastanek parnih mehurčkov, ki se sesedejo blizu površine in ustvarjajo ponavljajoče se udarne obremenitve visoke intenzivnosti. Sčasoma to povzroča nastanek lukenj, utrujenostne poškodbe, odpoved premaza in izgubo materiala.

Preskus kavitacijske erozije bronastih premazov

V študiji, ki so jo izvedli Hauer in sod., so primerjali bronaste prevleke, izdelane s hladnim brizganjem, toplim brizganjem, HVOF-brizganjem in obločnim brizganjem, z litim nikljevo-aluminijevim bronom in ladijskim jeklom. Osrednje vprašanje je bilo preprosto: kateri postopek nanašanja prevleke lahko ustvari bronasto površino, ki bo ob izpostavljenosti kavitaciji zdržala dovolj dolgo za uporabo v pomorskem okolju? Za odgovor na to vprašanje so raziskovalci uporabili preskus kavitacijske erozije v skladu s standardom ASTM G32-16 z vibracijsko napravo, vključno z ultrazvočnim vibracijskim sistemom Hielscher UIP1000hdT kot preskusnim sistemom.

Natančen nadzor nad preskusnimi pogoji in avtomatsko beleženje podatkov

Ultrazvočni aparat UIP1000hdT je zelo primeren za tovrstne preskuse, saj oddaja visokointenziven nizkofrekvenčni ultrazvok v območju, ki se uporablja za preskuse kavitacijske erozije. Naprava za preskušanje kavitacijske erozije, ki uporablja 1000-vatni ultrazvočni aparat, deluje pri frekvenci 20 kHz in omogoča natančno spremljanje procesa, nadzor amplitude, merjenje temperature ter avtomatsko beleženje podatkov preskusa. Te funkcije so pomembne, saj je intenzivnost kavitacije močno odvisna od amplitude, temperature tekočine, tlaka tekočine, geometrije sonotrode ter razdalje med sonotrodo in vzorcem.

(a) Preskus kavitacijske erozije v skladu s standardom ASTM G32-16 z ultrazvočnim napravo UIP1000hd (posredna metoda). Vsi preskusni parametri so nazivne vrednosti; odstopanja so navedena v standardu.
(b) Shematske faze na krivulji erozije v odvisnosti od časa ter značilni parametri v preskusnem postopku.
Grafike in študija: ©Hauer et al., 2021.

Preskus erozije bronastih premazov z ultrazvočno kavitacijo

V primeru premaza iz morske bronze je bil preskus izveden v posredni konfiguraciji po standardu ASTM G32. V tej konfiguraciji vzorec ni pritrjen na vibrirajoči rog. Namesto tega ultrazvočna sonotroda povzroča kavitacijo v destilirani vodi, premazan vzorec pa je pritrjen pod sonotrodo v določenem razmiku. Hauer in sod. so uporabili razdaljo 0,5 mm med vzorcem in sonotrodo, frekvenco 20 kHz ter amplitudo od vrha do vrha 50 µm. Preskusna tekočina je bila destilirana voda, ki je bila ohranjena pri približno sobni temperaturi, okoli 25 °C.

Priprava vzorcev je ključni korak. Pred izpostavitvijo kavitaciji so bile prevlečene površine postopoma brušene in polirane z drobnim diamantnim brusilnim sredstvom do velikosti pod 4 µm. S tem se zmanjša vpliv slabo pritrjenih delcev ali nepravilnosti površine, ki bi se sicer lahko takoj odtrgale in izkrivile krivuljo erozije. Cilj ni, da bi premaz izgledal lepo, temveč da se ustvarijo ponovljivi izhodiščni pogoji, tako da izmerjena izguba mase odraža odpornost proti kavitaciji in ne slabe priprave površine.

Postopek preskušanja erozije z ultrazvočno kavitacijo in njegovi rezultati

Postopek praktičnega preskusa je preprost. Najprej se vsak vzorec očisti, posuši in stehta na natančnih tehtnicah. Nato se namesti v preskusno celico pod sonotrodo BS4d22 ultrazvočnega aparata UIP1000hdT, pri čemer se razmak 0,5 mm nastavi natančno in ponovljivo. Ultrazvočni aparat deluje z določeno amplitudo in frekvenco, medtem ko se temperatura tekočine nadzoruje, da segrevanje ne spremeni intenzivnosti kavitacije. Po določenem intervalu izpostavljenosti se vzorec odstrani, očisti, posuši in ponovno stehta. Ta zaporedje se ponavlja z vse daljšimi intervali izpostavljenosti, odvisnimi od materiala, dokler se ne pridobi popolna krivulja erozije.
Surova meritev je izguba mase. Za tehnično primerjavo se ta izguba mase s pomočjo gostote materiala pretvori v izgubo prostornine. Izguba prostornine se nato deli z izpostavljeno površino, da se določi povprečna globina erozije. Iz krivulje globine erozije lahko raziskovalec izračuna značilne parametre erozije, kot so največja hitrost erozije, končna hitrost erozije in povprečna globina erozije. Hielscher tudi opozarja, da se erozija lahko poroča kot masa, prostornina ali globina prodora na čas ali na dodano ultrazvočno energijo, odvisno od izbranega protokola.

Povprečne globine erozije kot funkcija prilagojenih parametrov kakovosti prevleke n. Žarjenje prahu in s tem zmanjšana trdnost prahu omogočata doseganje visoke kakovosti prevleke. Vstavek prikazuje poškodbe površine, nastale po 100 minutah kavitacijskega preskusa.
Grafi in študija: ©Hauer et al., 2021.

Pomembna ugotovitev iz Hauerjeve študije je, da lahko začetne stopnje erozije zavajajo. Pri termično in kinetično nanešenih premazih se je pogosto pokazala visoka začetna izguba materiala, ki ji je sledila nižja, stabilnejša stopnja erozije. Zaradi tega so Hauer in sod. kot reprezentativnejši kazalnik dolgoročne zmogljivosti premaza uporabili končno stopnjo erozije. V svoji 120-minutni primerjavi so končno stopnjo erozije ocenjevali predvsem na podlagi druge polovice preskusa, tj. po 60 minutah, da bi bolje zajeli stabilizirano obnašanje.

Rezultati preskusov kažejo, zakaj je naprava za nadzorovano vibracijsko kavitacijo tako dragocena. Pri litem nikljevo-aluminijevem bronu je bila končna hitrost erozije približno 0,40 µm/h. Pri optimiziranem bronu, nanesenem s toplim brizganjem, je ta vrednost znašala 0,57 µm/h, kar je blizu referenčni vrednosti za lit material. Optimizirani premaz, nanesen z lokovnim brizganjem na ladijsko jeklo, je dosegel približno 1,02 µm/h, medtem ko je optimizirani HVOF-premaz dosegel približno 1,74 µm/h. Čeprav ti premazi niso v celoti dosegli lastnosti brona ulitega na propelerju, so bistveno presegli ladijsko jeklo; študija poroča, da so premazi, naneseni z lokovnim brizganjem in HVOF-brizganjem, dosegli približno 26-krat oziroma 16-krat boljšo odpornost proti kavitaciji kot jeklo VL-A.

Uporabite sonikator kot vibracijsko napravo za vaše preskuse kavitacijske erozije

Praktični zaključek je, da preskusi kavitacijske erozije z ultrazvočnim napravo UIP1000hdT kot vibracijskim aparatom ne omogočajo le razvrščanja materialov. Razkrivajo namreč, kako postopek nanašanja premaza, mikrostruktura, vsebnost oksida, poroznost, vezava na stični ploskvi in naknadna obdelava vplivajo na dejansko erozijsko obnašanje. Hauer in sod. so ugotovili, da tehniki HVOF in lokovno brizganje ponujata dober kompromis med zmogljivostjo in stroški za izboljšanje površin jeklenih krmil, medtem ko sta hladno in toplo brizganje boljša izbira, kadar je potrebna odpornost proti kavitaciji, ki se približuje tisti pri masivni nikljevo-aluminijevi bronasti zlitini.

Za laboratorije in razvijalce premazov je ključ do ponovljivih rezultatov strogi nadzor nad preskusnimi parametri: amplituda sonotrode, frekvenca, razdalja med sonotrodo in vzorcem, temperatura tekočine, kemijska sestava tekočine, priprava vzorca, intervali tehtanja in izračun hitrosti erozije. Ob opredeljenih pogojih naprava Hielscher UIP1000hdT ponuja praktičen in ponovljiv način za pretvorbo ultrazvočne kavitacije v kvantitativne podatke o učinkovitosti premaza.

Vzorčni delovni list za testiranje kavitacijske erozije

 
Navodila za preskuse kavitacijske erozije najdete tukaj!

Naprava za preskus kavitacijske erozije po standardu ASTM G32

Ultrazvočni aparati UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT in UIP2000hdT so primerni za preskuse po standardu ASTM G32. Vsako od teh naprav lahko opremimo z natančnim Protokol za merjenje amplitude mehanske amplitude na konici sonotrode. Priporočamo uporabo katere koli od teh naprav v kombinaciji s sonotrodo BS4d22 (premer 22 mm) in stojalom ST2.

ASTM G32 -16 15.9 mm sonotrode z zamenljivo konico

Projektiranje, izdelava in svetovanje – Kakovost izdelana v Nemčiji

Hielscher ultrazvočni aparati so znani po svojih najvišjih standardih kakovosti in oblikovanja. Robustnost in enostavno upravljanje omogočata nemoteno integracijo naših ultrazvočnih aparatov v industrijske objekte. Težke pogoje in zahtevna okolja zlahka obvladajo Hielscher ultrasonicatorji.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visoko zmogljivim ultrazvočnim aparatom z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Seveda so Hielscher ultrazvočni aparati skladni s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Literatura / Reference