Практично испитивање кавитационе ерозије бронзаних превлака за поморску примену

Испитивање кавитационе ерозије најкорисније је када повезује контролисано излагање у лабораторији са стварним инжењерским проблемом. Практичан пример је процена бронзаних превлака отпорних на кавитацију за бродске компоненте као што су кормила и пропелери. Ови делови раде у зонама у којима локалне флуктуације притиска могу створити мехуриће паре који колабирају близу површине, изазивајући поновљена ударна оптерећења високог интензитета. Временом то доводи до стварања јамица, оштећења услед замора, отказивања превлаке и губитка материјала.

Испитивање кавитационе ерозије бронзаних превлака

У студији Hauer и сар., бронзане превлаке произведене хладним прскањем, топлим прскањем, HVOF прскањем и електролучним прскањем упоређене су са ливеном никл-алуминијумском бронзом и бродограђевинским челиком. Главно питање било је једноставно: којим поступком наношења превлаке може да се добије бронзана површина која издржава излагање кавитацији довољно дуго за поморску употребу? Да би одговорили на то питање, истраживачи су користили испитивање кавитационе ерозије засновано на стандарду ASTM G32-16 помоћу вибрационог апарата, укључујући ултразвучни вибрациони систем Hielscher UIP1000hdT као испитни систем.

Прецизна контрола услова испитивања и аутоматизовано бележење података

Соникатор UIP1000hdT веома је погодан за ову врсту испитивања јер испоручује ултразвук високог интензитета и ниске фреквенције у опсегу који се користи за испитивање кавитационе ерозије. Поставка за испитивање кавитационе ерозије са соникатором снаге 1000 вати ради на 20 kHz и омогућава прецизно праћење процеса, контролу амплитуде, мерење температуре и аутоматско бележење података испитивања. Ове функције су важне јер интензитет кавитације снажно зависи од амплитуде, температуре течности, притиска течности, геометрије сонотроде и растојања између сонотроде и испитног узорка.

(a) Испитивање кавитационе ерозије према стандарду ASTM G32-16 са соникатором UIP1000hd (индиректна метода). Сви параметри испитивања су номиналне вредности; толеранције су наведене у стандарду.
(b) Шематски приказ фаза на кривој ерозије у зависности од времена и карактеристичних параметара у поступку испитивања.
Графички прикази и студија: ©Hauer и сар., 2021.

Ултразвучно испитивање кавитационе ерозије бронзаних превлака

У примеру бронзане превлаке за поморску примену, испитивање је изведено у индиректној поставци према стандарду ASTM G32. У овој конфигурацији испитни узорак није причвршћен за вибрирајући рог. Уместо тога, ултразвучна сонотрода ствара кавитацију у дестилованој води, а узорак са превлаком учвршћен је испод сонотроде на дефинисаном растојању. Hauer и сар. користили су растојање од 0,5 mm између узорка и сонотроде, фреквенцију од 20 kHz и амплитуду од врха до врха од 50 µm. Испитна течност била је дестилована вода, одржавана на приближно собној температури, око 25 °C.

Припрема испитног узорка је кључан корак. Пре излагања кавитацији, површине са превлаком постепено су брушене и полиране све до финог дијамантског абразива гранулације мање од 4 µm. Тиме се смањује утицај слабо везаних честица или површинских неправилности које би иначе могле одмах да се одвоје и изобличе криву ерозије. Циљ није да превлака изгледа лепо, већ да се створи поновљиво почетно стање како би измерени губитак масе одражавао отпорност на кавитацију, а не лошу припрему површине.

Поступак ултразвучног испитивања кавитационе ерозије и његови резултати

Практични поступак испитивања је једноставан. Најпре се сваки узорак очисти, осуши и измери на прецизној ваги. Затим се учврсти у испитној ћелији испод сонотроде BS4d22 соникатора UIP1000hdT, при чему се размак од 0,5 mm пажљиво подешава на поновљив начин. Соникатор ради при дефинисаној амплитуди и фреквенцији, док се температура течности контролише како би се спречило да загревање промени интензитет кавитације. Након дефинисаног интервала излагања, узорак се уклони, очисти, осуши и поново измери. Овај низ корака понавља се током све дужих интервала излагања, који зависе од материјала, све док се не добије потпуна крива ерозије.
Непосредно се мери губитак масе. Ради инжењерског поређења, овај губитак масе претвара се у губитак запремине помоћу густине материјала. Губитак запремине затим се дели површином изложеног дела узорка како би се одредила средња дубина ерозије. Из криве дубине ерозије истраживач може да израчуна карактеристичне параметре ерозије као што су максимална брзина ерозије, крајња брзина ерозије и средња дубина ерозије. Hielscher такође напомиње да се ерозија може изразити као маса, запремина или дубина продирања по јединици времена или по јединици доведене ултразвучне енергије, у зависности од изабраног протокола.

Средње дубине ерозије у функцији подешених параметара квалитета превлаке n. Жарење праха, а тиме и смањење чврстоће праха, омогућава постизање високог квалитета превлака. Уметнуте слике приказују оштећење површине настало након испитивања кавитацијом у трајању од 100min.
Графикони и студија: ©Hauer et al., 2021.

Једна важна поука из студије Hauer и сарадника јесте да брзине ерозије у раној фази могу да доведу до погрешних закључака. Термички и кинетички напрскане превлаке често су показивале велики почетни губитак материјала, након чега је следила мања, стабилнија брзина ерозије. Из тог разлога, Hauer и сарадници користили су крајњу брзину ерозије као репрезентативнији показатељ дугорочних перформанси превлаке. У њиховом поређењу у трајању од 120 минута, крајња брзина ерозије процењивана је углавном на основу друге половине испитивања, након 60 минута, како би се боље обухватило стабилизовано понашање.

Резултати испитивања показују зашто је вредно користити вибрациони кавитациони уређај са контролисаним условима рада. Ливена никл-алуминијумска бронза постигла је крајњу брзину ерозије од око 0,40 µm/h. Оптимизована бронза нанесена топлим напрскавањем достигла је 0,57 µm/h, што је близу вредности ливеног референтног материјала. Оптимизована превлака нанесена електролучним напрскавањем на бродограђевински челик достигла је око 1,02 µm/h, док је оптимизована HVOF превлака достигла око 1,74 µm/h. Чак и када ове превлаке нису у потпуности достигле перформансе ливене бронзе за бродске пропелере, знатно су надмашиле бродограђевински челик; у студији се наводи да су превлаке нанесене електролучним и HVOF напрскавањем постигле око 26 пута, односно 16 пута бољу отпорност на кавитацију од челика VL-A.

Користите соникатор као вибрациони уређај за своја испитивања кавитационе ерозије

Практични закључак је да испитивање кавитационе ерозије соникатором UIP1000hdT као вибрационим уређајем може да пружи више од самог рангирања материјала. Оно открива како поступак наношења превлаке, микроструктура, садржај оксида, порозност, везивање на међуповршини и накнадна обрада утичу на стварно понашање при ерозији. Hauer и сарадници закључили су да HVOF и електролучно напрскавање могу да понуде веома повољан компромис између перформанси и трошкова за побољшање површина челичних кормила, док се хладно и топло напрскавање преферирају када је потребна отпорност на кавитацију блиска отпорности масивне никл-алуминијумске бронзе.

За лабораторије и стручњаке који развијају превлаке, кључ за поновљиве резултате јесте строга контрола параметара испитивања: амплитуде сонотроде, фреквенције, растојања између сонотроде и узорка, температуре течности, хемијског састава течности, припреме узорка, интервала мерења масе и израчунавања брзине ерозије. Када су ови услови дефинисани, Hielscher UIP1000hdT пружа практичан и поновљив начин да се ултразвучна кавитација претвори у квантитативне податке о перформансама превлака.

Пример радног листа за испитивање кавитационе ерозије

 
Упутства за испитивања кавитационе ерозије можете пронаћи овде!

Поставка за испитивање кавитационе ерозије према ASTM G32

Соникатори UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT и UIP2000hdT погодни су за испитивање према стандарду ASTM G32. Сваки од ових уређаја можемо испоручити са прецизним протоколом мерења амплитуде механичких осцилација на врху сонотроде. Препоручујемо употребу било ког од ових уређаја са сонотродом BS4d22 (пречника 22mm) и сталком ST2.

ASTM G32 -16 сонотрода од 15,9mm са заменљивим врхом

Пројектовање, производња и саветовање – квалитет произведен у Немачкој

Hielscher ултразвучни уређаји познати су по највишим стандардима квалитета и дизајна. Робусност и једноставно руковање омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних уређаја у индустријска постројења. Hielscher ултразвучни уређаји лако подносе тешке услове рада и захтевна окружења.

Hielscher Ultrasonics је компанија са ISO сертификатом и посебан нагласак ставља на ултразвучне уређаје високих перформанси који се одликују најсавременијом технологијом и једноставношћу коришћења. Наравно, Hielscher ултразвучни уређаји усаглашени су са CE захтевима и испуњавају захтеве UL, CSA и RoHs.

Литература / Референце

• 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.