Praktiska provningar av kavitationserosion på beläggningar av marinbrons

Provning av kavitationserosion är mest användbar när den kopplar samman en kontrollerad exponering i laboratorium med ett verkligt tekniskt problem. Ett praktiskt exempel är utvärderingen av kavitationsbeständiga bronsbeläggningar för marina komponenter såsom fartygsroder och propellrar. Dessa delar används i områden där lokala tryckfluktuationer kan generera ångbubblor som kollapsar nära ytan, vilket skapar upprepade stötbelastningar med hög intensitet. Med tiden leder detta till gropfrätning, utmattningsskador, beläggningsfel och materialförlust.

Kavitationserosionstest av bronsbeläggningar

I studien av Hauer m.fl. jämfördes bronsbeläggningar framställda genom kallsprutning, varmsprutning, HVOF-sprutning och bågsprutning med gjuten nickel-aluminiumbrons och skeppsbyggnadsstål. Den centrala frågan var enkel: vilken beläggningsmetod kan ge en bronsyta som tål kavitationsexponering tillräckligt länge för att klara användning till sjöss? För att besvara frågan använde forskarna ett kavitationserosionstest baserat på ASTM G32-16 med en vibrationsanordning, inklusive ett Hielscher UIP1000hdT ultraljudsvibrationssystem som testsystem.

Exakt styrning av testförhållanden och automatiserad dataregistrering

Ultraljudsapparaten UIP1000hdT är väl lämpad för denna typ av provning eftersom den avger högintensivt, lågfrekvent ultraljud inom det intervall som används för kavitationserosionsprovning. Testuppställningen för kavitationserosion med den 1000-watts ultraljudsapparaten arbetar vid 20 kHz och möjliggör precis processövervakning, amplitudkontroll, temperaturmätning och automatisk protokollföring av testdata. Dessa funktioner är viktiga eftersom kavitationsintensiteten i hög grad beror på amplitud, vätsketemperatur, vätsketryck, sonotrodens geometri och avståndet mellan sonotroden och provet.

(a) Kavitationserosionsprov enligt ASTM G32-16 med ultraljudsapparaten UIP1000hd (indirekt metod). Alla provningsparametrar är nominella värden; toleranserna anges i standarden.
(b) Schematiska faser i erosions-tidskurvan och karakteristiska parametrar i testförfarandet.
Illustrationer och studie: ©Hauer m.fl., 2021.

Ultraljudskavitationserosionstest av bronsbeläggningar

När det gäller exemplet med marinbronsbeläggningen utfördes provningen enligt den indirekta ASTM G32-konfigurationen. I denna konfiguration är provkroppen inte fäst vid det vibrerande hornet. Istället alstrar ultraljudssonotroden kavitation i destillerat vatten, och den belagda provkroppen är fastsatt under sonotroden med ett definierat avstånd. Hauer et al. använde ett avstånd på 0,5 mm mellan provet och sonotroden, en frekvens på 20 kHz och en topp-till-topp-amplitud på 50 µm. Testvätskan var destillerat vatten som hölls vid ungefär rumstemperatur, cirka 25 °C.

Förberedelsen av provkropparna är ett avgörande steg. Innan kavitationsexponeringen slipades och polerades de belagda ytorna stegvis med ett fint diamantslipmedel till en ytfinhet under 4 µm. Detta minskar påverkan från löst sittande partiklar eller ojämnheter i ytan som annars skulle kunna lossna omedelbart och snedvrida erosionskurvan. Målet är inte att få beläggningen att se bra ut, utan att skapa ett reproducerbart utgångsläge så att den uppmätta massförlusten återspeglar kavitationsbeständigheten snarare än bristfällig ytförberedelse.

Förfarandet för provning av erosion genom ultraljudskavitation och dess resultat

Det praktiska testförfarandet är enkelt. Först rengörs, torkas och vägs varje prov på en precisionsvåg. Därefter placeras det i testcellen under sonotroden BS4d22 på ultraljudsapparaten UIP1000hdT, där avståndet på 0,5 mm ställs in noggrant och på ett repeterbart sätt. Ultraljudsapparaten drivs med den definierade amplituden och frekvensen, medan vätsketemperaturen regleras för att förhindra att uppvärmning påverkar kavitationsintensiteten. Efter ett definierat exponeringsintervall avlägsnas provet, rengörs, torkas och vägs igen. Denna sekvens upprepas med ökande, materialberoende exponeringsintervall tills en fullständig erosionskurva har erhållits.
Den ursprungliga mätningen avser massförlust. För tekniska jämförelser omräknas denna massförlust till volymförlust med hjälp av materialets densitet. Volymförlusten divideras sedan med den exponerade ytan för att bestämma det genomsnittliga erosionsdjupet. Utifrån erosionsdjupskurvan kan forskaren beräkna karakteristiska erosionsparametrar såsom maximal erosionshastighet, slutlig erosionshastighet och genomsnittligt erosionsdjup. Hielscher påpekar också att erosion kan redovisas som massa, volym eller penetrationsdjup per tid eller per tillförd ultraljudsenergi, beroende på vilket protokoll som valts.

Genomsnittliga erosionsdjup som funktion av justerade parametrar för beläggningskvalitet n. Genom pulverglödgning och därmed minskad pulverhållfasthet kan man uppnå hög beläggningskvalitet. Inläggen visar de ytskador som uppstått efter en kavitationstesttid på 100 min.
Diagram och studie: ©Hauer m.fl., 2021.

En viktig lärdom från Hauers studie är att de initiala erosionshastigheterna kan vara missvisande. Termiskt och kinetiskt sprutade beläggningar uppvisade ofta en hög inledande materialförlust, följd av en lägre, mer stabil erosionshastighet. Av denna anledning använde Hauer m.fl. den slutliga erosionshastigheten som en mer representativ indikator på beläggningens långsiktiga prestanda. I deras 120-minutersjämförelse utvärderades den slutliga erosionshastigheten främst utifrån testets andra hälft, efter 60 minuter, för att bättre fånga det stabiliserade beteendet.

Testresultaten visar varför en apparat för kontrollerad vibrationskavitation är värdefull. Gjuten nickel-aluminiumbrons uppnådde en slutlig erosionshastighet på cirka 0,40 µm/h. Optimerad varmsprutad brons nådde 0,57 µm/h, vilket ligger nära referensvärdet för den gjutna bronsen. En optimerad bågsprutad beläggning på varvstål nådde cirka 1,02 µm/h, medan en optimerad HVOF-beläggning nådde cirka 1,74 µm/h. Även om dessa beläggningar inte helt kunde mäta sig med gjuten propellerbrons, överträffade de skeppsbyggnadsstålet dramatiskt; studien visar att bågsprutade och HVOF-sprutade beläggningar uppnådde cirka 26 respektive 16 gånger bättre kavitationsbeständighet än VL-A-stål.

Använd en sonikator som vibrationsapparat för dina kavitationserosionsförsök

Den praktiska slutsatsen är att kavitationserosionsprovning med ultraljudsapparaten UIP1000hdT som vibrationsutrustning kan göra mer än att bara rangordna material. Den visar hur beläggningsprocessen, mikrostrukturen, oxidhalten, porositeten, gränsytbindningen och efterbehandlingen påverkar det faktiska erosionsbeteendet. Hauer et al. drog slutsatsen att HVOF- och bågsprutning kan erbjuda en bra avvägning mellan prestanda och kostnad för att förbättra stålroderytor, medan kall- och varmsprutning är att föredra när det krävs en kavitationsbeständighet som ligger nära den hos massiv nickel-aluminiumbrons.

För laboratorier och utvecklare av beläggningar ligger nyckeln till reproducerbara resultat i en strikt kontroll av testparametrarna: sonotrodens amplitud, frekvens, avståndet mellan sonotroden och provet, vätskans temperatur, vätskans kemiska sammansättning, provförberedelse, vägningsintervall samt beräkning av erosionshastigheten. När dessa förhållanden är definierade erbjuder Hielscher UIP1000hdT ett praktiskt och repeterbart sätt att omvandla ultraljudskavitation till kvantitativa data om beläggningens prestanda.

Exempel på arbetsblad för kavitationserosionstestning

 
Här hittar du instruktioner för kavitationserosionstester!

Uppställning för kavitationserosionsprovning enligt ASTM G32

Ultraljudsapparaterna UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT och UIP2000hdT är lämpliga för ASTM G32-provning. Vi kan leverera var och en av dessa enheter med en noggrann Protokoll för amplitudmätning av den mekaniska amplituden vid sonotrodspetsen. Vi rekommenderar att man använder någon av dessa enheter tillsammans med en sonotrod av typen BS4d22 (22 mm i diameter) och ett stativ av typen ST2.

ASTM G32 -16 15,9 mm sonotrode med utbytbar spets

Design, tillverkning och rådgivning – Kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielscher ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och designstandarder. Robusthet och enkel drift möjliggör en smidig integration av våra ultraljudsapparater i industriella anläggningar. Tuffa förhållanden och krävande miljöer hanteras enkelt av Hielscher ultraljudsapparater.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och användarvänligheten. Naturligtvis är Hielscher ultraljudsapparater CE-kompatibla och uppfyller kraven i UL, CSA och RoHs.

Litteratur / Referenser