Preskušanje kavitacijske erozije

Kavitacijska erozija nastaja na površinah materialov, ki so izpostavljene intenzivni ultrazvočni kavitaciji. Preskušanje kavitacijske erozije je hitra metoda za merjenje odpornosti materialov ali prevlek proti eroziji zaradi intenzivnih obremenitev in drugih erozijskih dejavnikov. Omogoča preprosto kvantitativno merjenje za nadzor kakovosti in je uporabno pri raziskavah materialov ali razvoju formulacij prevlek.

Zakaj uporabljati preskušanje kavitacijske erozije?

Nenehna erozija ali korozija lahko zahteva redno menjavo delov ali obnovo površinskih prevlek. Erozija površine materiala zaradi mehanskih ali kemičnih vplivov je počasen proces, ki povzroča postopno uničevanje površin materialov. Zato je lahko vrednotenje odpornosti materiala proti eroziji ali erozijskega učinka tekočin in suspenzij zelo dolgotrajen proces.
Preskušanje erozije z ultrazvočno kavitacijo izpostavi površino materiala nadzorovanim, intenzivnim in ponavljajočim se ciklom obremenitve. To v kratkem času povzroči znatno erozijo površine materiala. Odpornost proti eroziji lahko hitro izmerite za redni nadzor kakovosti v proizvodnji, za vrednotenje vhodnih materialov ali med raziskavami in razvojem.
Običajne uporabe vključujejo metalurško preskušanje, preskušanje formulacij prevlek, preskušanje nanašanja prevlek ali vrednotenje zaviralcev erozije v tekočinah.

Zakaj kavitacija povzroča površinsko erozijo?

Ultrazvočne naprave, kot sta UP400St (400 vatov, 24kHz) ali UIP1000hdT (1000 vatov, 20kHz), prenašajo ultrazvočne vibracije v tekočine, kot je voda. Hitro izmenično gibanje zaradi vibracij v tekočini povzroča nastajanje in implozijo kavitacijskih mehurčkov. Ko mehurčki implodirajo, v tekočini in na izpostavljenih površinah materialov nastanejo velike lokalne mehanske napetosti. Curki tekočine s hitrostjo do 1000km/h in lokalni tlaki do 1000atm povzročajo hitro utrujanje površine materiala. To lahko odstrani oksidne ali pasivacijske plasti, prevleke ali obloge. Lahko povzroči jamičasto erozijo trdnih materialov, kot so jeklo, titan, aluminij, plastika ali steklo. Zato je preskušanje kavitacijske erozije metoda porušnega preskušanja.

Kako poteka preskušanje kavitacijske erozije?

Kavitacijska erozija površin materialov povzroča postopno izgubo materiala. Izgubo materiala lahko preprosto izmerite s tehtanjem materiala na precizni tehtnici pred določeno izpostavitvijo kavitacijski eroziji in po njej. Običajna sprememba mase pri preskusu kavitacijske erozije je med 1 in 30mg. Za dodatno standardizacijo lahko izračunate izgubo prostornine tako, da izgubo mase delite z gostoto materiala. Povprečna globina prodiranja (MDP) se izračuna tako, da izgubo prostornine delite s površino preskušanca. Lahko pa izmerite globino jamic ali izpodrinjeno prostornino. Z mikroskopsko analizo lahko pridobite dodatne kvalitativne informacije o vzorcu erozije.
Ko za preskušanje kavitacijske erozije uporabljate ultrazvočno napravo Hielscher, lahko vnaprej nastavite temperaturno območje in območje tlaka, pri katerih želite delati. Nastavite lahko amplitudo sonikacije. Vsi parametri se spremljajo, prikazujejo in beležijo na kartico SD. Namestitev lastniške programske opreme ni potrebna. Če želite, lahko ultrazvočni proces upravljate in spremljate v svojem običajnem spletnem brskalniku, če ultrazvočno napravo povežete z računalnikom prek ethernetnega kabla (priložen).

Kaj je standardna metoda ASTM G32 za kavitacijsko erozijo z uporabo vibracijske naprave?

Standard ASTM G32-16 opisuje standardizirano metodo za kavitacijsko erozijo. Opredeljuje preprost, nadzorljiv in ponovljiv preskus za kvantificiranje in primerjavo odpornosti različnih materialov proti kavitacijski eroziji. Specifikacije ATSM G32-16 so uporabne za primerjavo vaših rezultatov z rezultati drugih publikacij. Če želite preskušanje kavitacijske erozije vključiti v nadzor kakovosti, priporočamo, da protokol preskušanja kavitacijske erozije prilagodite svojim posebnim zahtevam. Z veseljem vam bomo pomagali pri pripravi prilagojenega protokola preskušanja kavitacijske erozije. Za več informacij o preskušanju kavitacijske erozije v skladu z ASTM-G32 kliknite tukaj!

Zakaj uporabljati energijsko omejitev namesto časovne omejitve?

Številne publikacije in protokoli preskušanja erozije določajo čas izpostavljenosti kavitaciji. Pri ultrazvočnih napravah Hielscher lahko vnaprej nastavite čas sonikacije in sistem se bo po preteku tega časa ustavil. Nato lahko izračunate nastalo hitrost kavitacijske erozije v mm/hr ali mm3/hr. Časovna omejitev je sprejemljiva samo, če ne spreminjate nobenega parametra, kot so nivo tekočine, amplituda, tlak, temperatura, sestava tekočine ali razmik med sonotrodo in površino materiala. Če se spremeni kateri koli od teh parametrov, se spremenita tudi moč sonikacije in intenzivnost kavitacije. Pomembno je, da dejanska neto moč, prenesena v tekočino, med trajanjem preskusa ne niha.
Pri ultrazvočnih napravah Hielscher lahko nastavite energijsko omejitev. V tem primeru se ultrazvočna naprava ustavi, ko prenese določeno ultrazvočno energijo. Naprava Hielscher prikazuje in beleži parametre, kot so dejanska neto moč, amplituda, tlak in temperatura tekočine. Pri uporabi energijske omejitve se nihanja moči ali namerne spremembe parametrov kompenzirajo. Nato lahko nastalo hitrost kavitacijske erozije navedete v mm/kWhr, mm3/kWhr ali mg/kWhr.
Če preskušanec tehtate med intervali kavitacijske erozije, lahko izdelate krivuljo, ki prikazuje prirast izgube mase (hitrost izgube mase v vsakem energijskem intervalu) v odvisnosti od kumulativne energije.
Za natančnejše rezultate lahko naprava izvede samodejno umerjanje (30 sekund). Pri tem se izmeri moč pri vseh nastavitvah amplitude v zraku pri tlaku okolice. Naprava Hielscher uporablja te podatke umerjanja za podajanje zelo natančnih vrednosti neto moči v realnem času.

Tlak tekočine med sonikacijo

Številni standardni protokoli za preskušanje kavitacijske erozije uporabljajo ultrazvočno kavitacijo pri tlaku okolice. Tlak tekočine je drugi najpomembnejši dejavnik za intenzivnost sonikacije. Povečanje tlaka okolice za 10% poveča intenzivnost sonikacije za približno 10%. Intenzivnejša kavitacija skrajša čas, potreben za doseganje določene stopnje kavitacijske erozije. Preskus posameznega preskušanca pogosto traja od 15 do 120 minut. Če morate preskusiti veliko preskušancev, lahko delo pri višjih tlakih znatno skrajša čas posameznega preskusa. Preskusi pri 5 barg (73psig) za vsak preskus zahtevajo približno 80% manj časa.
Hielscher dobavlja tlačno tesne preskusne celice z digitalnim senzorjem tlaka za preskušanje kavitacijske erozije. Z uporabo tlačno tesne celice lahko med vsakim preskusom nadzorujete in vzdržujete tlak. Ultrazvočni generator stalno spremlja senzor tlaka in beleži dejanski tlak v datoteko CSV, združljivo z Excelom, na kartici SD (priložena). Hielscher dobavlja regulatorje tlaka za nastavitev in vzdrževanje delovnega tlaka.
Tlačno tesne preskusne celice Hielscher za preskušanje kavitacijske erozije so standardno zasnovane za tlake do 5barg (73psig). Višji tlaki do 300barg (4350psig) so na voljo na zahtevo.

Ultrazvočna frekvenca

Pri preskušanju kavitacijske erozije se običajno uporablja nizkofrekvenčni ultrazvok visoke intenzivnosti v območju 18–30kHz. V tem območju ima spreminjanje frekvence zelo omejen vpliv na intenzivnost kavitacije. Vse naprave Hielscher delujejo pri konstantni frekvenci.

Razdalja od sonotrode

Material, ki ga želite preskusiti, lahko namestite na sonotrodo ali pod njo. Izdelate lahko preskušanec materiala z navojem in ga pritrdite na konec ultrazvočne sonotrode. V tem primeru preskušanec vibrira pri določeni ultrazvočni amplitudi in povzroča kavitacijo na svoji površini. To zahteva precizno mehansko obdelavo in vsi materiali niso primerni za to možnost.
Druga možnost je, da del ali preskušanec pritrdite tik pod titanovo sonotrodo. V tem primeru titanova sonotroda povzroča kavitacijo, površina materiala pa je izpostavljena kavitaciji. Ta možnost je priročnejša, saj lahko v preskusno celico namestite preskušance različnih velikosti ali oblik. Če uporabite večjo sonotrodo, na primer sonotrodo s premerom 50mm ali 80mm, lahko kavitacijski eroziji hkrati izpostavite več delov. To je zelo uporabno, kadar morate na dan preskusiti veliko delov, na primer za nadzor kakovosti.
V obeh primerih je razdalja med ultrazvočno sonotrodo in površino materiala ob njej zelo pomembna. Na splošno je kavitacijska erozija hitrejša pri manjši razdalji. Običajne razdalje segajo od 0,2 do 15mm. Za zanesljive rezultate morate pri vseh preskusih uporabiti enako razdaljo.

Temperatura tekočine

Toplejša tekočina povzroči manjšo intenzivnost ultrazvočne kavitacije. Vnos energije mehanskih vibracij v tekočino povzroči segrevanje tekočine. Za vzdrževanje konstantne temperature med vsakim preskusom kavitacijske erozije je treba tekočino hladiti. Hielscher dobavlja posode s plaščem in tlačno tesne celice s plaščem. Lahko pa uporabite hladilno spiralo v čaši ali čašo postavite v ledeno kopel. Hladilno sredstvo, ki teče skozi plašč ali hladilno spiralo, odvaja toploto iz tekočine.
Ultrazvočne naprave Hielscher, kot sta UP400St ali UIP1000hdT, so opremljene s temperaturno sondo PT100 (priložena). Ultrazvočni generator neprekinjeno spremlja dejansko temperaturo tekočine in beleži temperaturo v datoteko CSV, združljivo z Excelom, na kartici SD (priložena). Generator lahko nastavite tako, da začasno prekine preskušanje kavitacijske erozije, če temperatura tekočine preveč odstopa od vaše nastavljene vrednosti, na primer zaradi nezadostne hladilne zmogljivosti. Generator lahko samodejno nadaljuje sonikacijo, ko tekočina ponovno doseže določeno temperaturo.

Kavitirajoča tekočina

Pri preskušanju kavitacijske erozije se običajno uporablja voda, na primer destilirana voda. Različne tekočine imajo različne kavitacijske lastnosti. Če voda na vaš material deluje korozivno, lahko preskusite druge tekočine, kot so silikonska olja z nizko viskoznostjo ali organska topila, da odpravite ali zmanjšate korozivni dejavnik. Lahko pa povečate korozivnost tekočine, na primer s spremembo pH, ali njeno abrazivnost z dodajanjem abrazivnih delcev. Preskušanje kavitacijske erozije lahko uporabite za vrednotenje erozivnosti in korozivnosti tekočin, kot so vrtalne izplake, ali za vrednotenje učinkovitosti zaviralcev korozije ali erozije.

Mehanska obdelava

Pri izdelavi dela ali preskušanca CNC-obdelava, brušenje ali poliranje poškodujejo zrnato strukturo v bližini površine materiala. To zmanjša odpornost proti eroziji.

Pasivacijske/oksidne plasti

Erozija in korozija zelo pogosto potekata hkrati. Voda, na primer destilirana, demineralizirana ali deionizirana voda, lahko na številne materiale deluje korozivno. Ultrazvočna kavitacija pospešuje korozijo. Pasivacijske plasti, na primer na anodiziranem aluminiju, povečajo odpornost površine materiala proti eroziji in koroziji.

Katere omejitve ima preskušanje kavitacijske erozije?

Nekateri elastomeri lahko zahtevajo izpostavljenost zelo intenzivni kavitaciji, da se sploh pojavi kavitacijska erozija. V tem primeru sonikacija brez celice pod tlakom morda ne pokaže nobenega merljivega učinka.