Praktično preskušanje kavitacijske erozije bronastih prevlek za pomorske namene

Preskušanje kavitacijske erozije je najkoristnejše, kadar nadzorovano laboratorijsko izpostavitev poveže z dejanskim inženirskim problemom. Praktičen primer je ocenjevanje bronastih prevlek, odpornih proti kavitaciji, za pomorske sestavne dele, kot so ladijska krmila in propelerji. Ti deli delujejo na območjih, kjer lahko lokalna nihanja tlaka povzročijo nastanek parnih mehurčkov, ki se sesedejo v bližini površine in ustvarjajo ponavljajoče se udarne obremenitve visoke intenzivnosti. Sčasoma to povzroči nastanek jamic, poškodbe zaradi utrujanja, odpoved prevleke in izgubo materiala.

Preskus kavitacijske erozije bronastih prevlek

V študiji Hauerja in sodelavcev so bronaste prevleke, izdelane s hladnim brizganjem, toplim brizganjem, brizganjem HVOF in obločnim brizganjem, primerjali z litim nikljevo-aluminijevim bronom in ladjedelniškim jeklom. Osrednje vprašanje je bilo preprosto: s katerim postopkom nanašanja prevleke je mogoče izdelati bronasto površino, ki vzdrži izpostavljenost kavitaciji dovolj dolgo za uporabo v pomorstvu? Da bi nanj odgovorili, so raziskovalci uporabili preskus kavitacijske erozije na podlagi standarda ASTM G32-16 z vibracijsko napravo, pri čemer so kot preskusni sistem uporabili tudi ultrazvočni vibracijski sistem Hielscher UIP1000hdT.

Natančen nadzor preskusnih pogojev in samodejno beleženje podatkov

Sonikator UIP1000hdT je zelo primeren za to vrsto preskusa, saj zagotavlja visokointenzivni nizkofrekvenčni ultrazvok v območju, ki se uporablja za preskušanje kavitacijske erozije. Postavitev za preskus kavitacijske erozije s 1000-vatnim sonikatorjem deluje pri 20 kHz in omogoča natančno spremljanje procesa, nadzor amplitude, merjenje temperature ter samodejno beleženje preskusnih podatkov. Te funkcije so pomembne, saj je intenzivnost kavitacije močno odvisna od amplitude, temperature tekočine, tlaka tekočine, geometrije sonotrode in razdalje med sonotrodo in preskušancem.

(a) Preskus kavitacijske erozije po standardu ASTM G32-16 s sonikatorjem UIP1000hd (posredna metoda). Vsi preskusni parametri so nazivne vrednosti; tolerance so navedene v standardu.
(b) Shematski prikaz faz na krivulji erozije v odvisnosti od časa in značilnih parametrov v preskusnem postopku.
Grafični prikazi in študija: ©Hauer et al., 2021.

Ultrazvočni preskus kavitacijske erozije bronastih prevlek

V primeru bronastih prevlek za pomorske namene je bil preskus izveden v posredni postavitvi po standardu ASTM G32. Pri tej konfiguraciji preskušanec ni pritrjen na vibrirajoči ultrazvočni rog. Namesto tega ultrazvočna sonotroda ustvarja kavitacijo v destilirani vodi, preskušanec s prevleko pa je pritrjen pod sonotrodo z določeno režo. Hauer in sodelavci so uporabili razdaljo 0,5 mm med vzorcem in sonotrodo, frekvenco 20 kHz in amplitudo od vrha do vrha 50 µm. Preskusna tekočina je bila destilirana voda, ki so jo vzdrževali približno pri sobni temperaturi, okoli 25 °C.

Priprava preskušanca je ključni korak. Pred izpostavitvijo kavitaciji so površine s prevleko postopoma brusili in polirali, vse do uporabe finega diamantnega abraziva z velikostjo zrn pod 4 µm. S tem se zmanjša vpliv slabo pritrjenih delcev ali površinskih nepravilnosti, ki bi se sicer lahko takoj odluščili in popačili erozijsko krivuljo. Cilj ni izboljšati videza prevleke, temveč ustvariti ponovljivo začetno stanje, tako da izmerjena izguba mase odraža odpornost proti kavitaciji in ne slabe priprave površine.

Postopek ultrazvočnega preskušanja kavitacijske erozije in njegovi rezultati

Praktični preskusni postopek je preprost. Najprej vsak preskušanec očistijo, posušijo in stehtajo na precizni tehtnici. Nato ga namestijo v preskusno celico pod sonotrodo BS4d22 sonikatorja UIP1000hdT, pri čemer režo 0,5 mm nastavijo skrbno in ponovljivo. Sonikator deluje pri določeni amplitudi in frekvenci, temperaturo tekočine pa nadzorujejo, da segrevanje ne bi spremenilo intenzivnosti kavitacije. Po določenem intervalu izpostavitve preskušanec odstranijo, očistijo, posušijo in ponovno stehtajo. To zaporedje ponavljajo pri vse daljših intervalih izpostavitve, odvisnih od materiala, dokler ne pridobijo celotne erozijske krivulje.
Neposredno izmerjena veličina je izguba mase. Za inženirsko primerjavo to izgubo mase z uporabo gostote materiala pretvorijo v izgubo prostornine. Izgubo prostornine nato delijo s površino izpostavljenega območja, da določijo povprečno globino erozije. Iz krivulje globine erozije lahko raziskovalec izračuna značilne erozijske parametre, kot so največja hitrost erozije, končna hitrost erozije in povprečna globina erozije. Hielscher tudi navaja, da se lahko erozija glede na izbrani protokol izrazi kot masa, prostornina ali globina prodiranja na enoto časa ali na enoto dovedene ultrazvočne energije.

Povprečne globine erozije v odvisnosti od prilagojenih parametrov kakovosti prevleke n. Žarjenje prahu in s tem zmanjšana trdnost prahu omogočata doseganje visoke kakovosti prevlek. Vstavljeni prikazi kažejo površinske poškodbe po času kavitacijskega preskušanja 100min.
Grafi in študija: ©Hauer et al., 2021.

Pomembno spoznanje iz Hauerjeve študije je, da so lahko začetne hitrosti erozije zavajajoče. Termično in kinetično nabrizgane prevleke so pogosto pokazale veliko začetno izgubo materiala, ki ji je sledila nižja in stabilnejša hitrost erozije. Zato so Hauer in sodelavci uporabili končno hitrost erozije kot bolj reprezentativen kazalnik dolgoročne učinkovitosti prevleke. V svoji 120-minutni primerjavi so končno hitrost erozije ocenjevali predvsem iz druge polovice preskusa, po 60 minutah, da bi bolje zajeli ustaljeno obnašanje.

Rezultati preskusa kažejo, zakaj je nadzorovana vibracijska kavitacijska naprava dragocena. Liti nikljevo-aluminijev bron je dosegel končno hitrost erozije približno 0,40 µm/h. Optimizirani toplo nabrizgani bron je dosegel 0,57 µm/h, kar je blizu litega referenčnega materiala. Optimizirana obločno nabrizgana prevleka na ladjedelniškem jeklu je dosegla približno 1,02 µm/h, optimizirana prevleka HVOF pa približno 1,74 µm/h. Tudi kadar te prevleke niso povsem dosegle lastnosti litega brona za propelerje, so močno presegle ladjedelniško jeklo; študija poroča, da so obločno nabrizgane prevleke dosegle približno 26-krat boljšo odpornost proti kavitaciji kot jeklo VL-A, prevleke, nabrizgane s postopkom HVOF, pa približno 16-krat boljšo.

Uporabite sonikator kot vibracijsko napravo za svoje preskuse kavitacijske erozije

Praktični sklep je, da lahko preskušanje kavitacijske erozije s sonikatorjem UIP1000hdT kot vibracijsko napravo omogoči več kot le razvrščanje materialov. Razkrije, kako postopek nanašanja prevleke, mikrostruktura, vsebnost oksidov, poroznost, vezava na stični površini in naknadna obdelava vplivajo na dejansko erozijsko obnašanje. Hauer in sodelavci so sklenili, da lahko brizganje HVOF in obločno brizganje ponudita zelo ugoden kompromis med učinkovitostjo in stroški za izboljšanje površin jeklenih krmil, medtem ko imata hladno in toplo brizganje prednost, kadar je potrebna odpornost proti kavitaciji, ki je blizu odpornosti masivnega nikljevo-aluminijevega brona.

Za laboratorije in razvijalce prevlek je ključ do ponovljivih rezultatov strog nadzor preskusnih parametrov: amplitude sonotrode, frekvence, razdalje med sonotrodo in vzorcem, temperature tekočine, kemijske sestave tekočine, priprave preskušanca, intervalov tehtanja in izračuna hitrosti erozije. Ko so ti pogoji določeni, Hielscher UIP1000hdT zagotavlja praktičen in ponovljiv način pretvorbe ultrazvočne kavitacije v kvantitativne podatke o učinkovitosti prevleke.

Vzorec delovnega lista za preskušanje kavitacijske erozije

 
Navodila za preskuse kavitacijske erozije najdete tukaj!

Postavitev za preskus kavitacijske erozije po standardu ASTM G32

Sonikatorji UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT in UIP2000hdT so primerni za preskušanje po standardu ASTM G32. Vsako od teh enot lahko dobavimo z natančnim protokolom merjenja amplitude mehanskega nihanja na konici sonotrode. Priporočamo uporabo katere koli od teh naprav s sonotrodo BS4d22 (premer 22mm) in stojalom ST2.

ASTM G32 -16 Sonotroda 15,9mm z zamenljivo konico

Načrtovanje, proizvodnja in svetovanje – kakovost iz Nemčije

Ultrazvočne naprave Hielscher so znane po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto upravljanje omogočata nemoteno vključevanje naših ultrazvočnih naprav v industrijske obrate. Ultrazvočne naprave Hielscher se zlahka spoprijemajo s težkimi pogoji in zahtevnimi okolji.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in posebno pozornost namenja visokozmogljivim ultrazvočnim napravam z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Ultrazvočne naprave Hielscher so seveda skladne z zahtevami CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Literatura / viri

• 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.