Praktisk provning av kavitationserosion hos bronsbeläggningar för marina tillämpningar

Provning av kavitationserosion är mest användbar när den kopplar en kontrollerad exponering i laboratoriet till ett verkligt tekniskt problem. Ett praktiskt exempel är utvärderingen av kavitationsbeständiga bronsbeläggningar för marina komponenter som fartygsroder och propellrar. Dessa delar arbetar i områden där lokala tryckvariationer kan generera ångbubblor som kollapsar nära ytan och skapar upprepade, högintensiva stötbelastningar. Med tiden orsakar detta gropbildning, utmattningsskador, beläggningshaveri och materialförlust.

Provning av kavitationserosion hos bronsbeläggningar

I studien av Hauer et al. jämfördes bronsbeläggningar framställda genom kallsprutning, varmsprutning, HVOF-sprutning och ljusbågssprutning med gjuten nickelaluminiumbrons och skeppsbyggnadsstål. Den centrala frågan var enkel: vilken beläggningsprocess kan ge en bronsyta som klarar kavitationsexponering tillräckligt länge för marin drift? För att besvara frågan använde forskarna provning av kavitationserosion baserad på ASTM G32-16 med en vibrationsapparat, däribland ett Hielscher UIP1000hdT ultraljudsvibrationssystem som provningssystem.

Precis kontroll av provningsförhållanden och automatiserad dataregistrering

Ultraljudsbehandlaren UIP1000hdT är väl lämpad för denna typ av provning eftersom den levererar högintensivt, lågfrekvent ultraljud inom det område som används vid provning av kavitationserosion. Provningsuppställningen för kavitationserosion med ultraljudsbehandlaren på 1000 watt arbetar vid 20 kHz och möjliggör precis processövervakning, amplitudreglering, temperaturmätning och automatisk loggning av provningsdata. Dessa funktioner är viktiga eftersom kavitationsintensiteten i hög grad beror på amplituden, vätskans temperatur, vätskans tryck, sonotrodens geometri och avståndet mellan sonotroden och provkroppen.

(a) Provning av kavitationserosion enligt ASTM G32-16 med ultraljudsbehandlaren UIP1000hd (indirekt metod). Alla provningsparametrar är nominella värden; toleranserna anges i standarden.
(b) Schematiska faser i erosion–tid-kurvan och karakteristiska parametrar i provningsförfarandet.
Grafik och studie: ©Hauer et al., 2021.

Ultraljudsbaserad provning av kavitationserosion hos bronsbeläggningar

I exemplet med bronsbeläggningar för marina tillämpningar utfördes provningen med den indirekta uppställningen enligt ASTM G32. I denna konfiguration är provkroppen inte fäst vid det vibrerande hornet. I stället genererar ultraljudssonotroden kavitation i destillerat vatten, och den belagda provkroppen fixeras under sonotroden med en definierad spalt. 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. Provningsvätskan var destillerat vatten som hölls vid ungefär rumstemperatur, omkring 25 °C.

Beredningen av provkroppen är ett avgörande steg. Före kavitationsexponeringen slipades och polerades de belagda ytorna stegvis, med ett fint diamantslipmedel med en kornstorlek under 4 µm i det sista steget. Detta minskar påverkan från löst sittande partiklar eller ytojämnheter som annars skulle kunna lossna omedelbart och förvränga erosionskurvan. Målet är inte att få beläggningen att se bra ut, utan att skapa ett reproducerbart utgångstillstånd så att den uppmätta massförlusten återspeglar kavitationsbeständigheten snarare än bristfällig ytberedning.

Förfarandet vid ultraljudsbaserad provning av kavitationserosion och dess resultat

Det praktiska provningsförfarandet är enkelt. Först rengörs, torkas och vägs varje provkropp på en precisionsvåg. Därefter monteras den i provningscellen under sonotroden BS4d22 på ultraljudsapparaten UIP1000hdT, med spalten på 0,5 mm noggrant och reproducerbart inställd. Ultraljudsapparaten körs med den fastställda amplituden och frekvensen, medan vätskans temperatur regleras för att förhindra att uppvärmning förändrar kavitationens intensitet. Efter ett fastställt exponeringsintervall tas provkroppen ut, rengörs, torkas och vägs igen. Denna sekvens upprepas med allt längre, materialberoende exponeringsintervall tills en fullständig erosionskurva erhålls.
Den direkt uppmätta storheten är massförlust. För tekniska jämförelser omvandlas denna massförlust till volymförlust med hjälp av materialets densitet. Volymförlusten divideras sedan med den exponerade ytarean för att bestämma medelerosionsdjupet. Utifrån erosionsdjupskurvan kan forskaren beräkna karakteristiska erosionsparametrar såsom maximal erosionshastighet, slutlig erosionshastighet och medelerosionsdjup. Hielscher påpekar också att erosion kan anges som massa, volym eller inträngningsdjup per tidsenhet eller per tillförd ultraljudsenergi, beroende på det valda protokollet.

Medelerosionsdjup som funktion av justerade parametrar n för beläggningskvalitet. Glödgning av pulvret och därmed minskad pulverhållfasthet gör det möjligt att uppnå hög beläggningskvalitet. De infällda bilderna visar de ytskador som uppstod efter en kavitationstesttid på 100min.
Diagram och studie: ©Hauer et al., 2021.

En viktig lärdom från Hauers studie är att tidiga erosionshastigheter kan vara missvisande. Termiskt och kinetiskt sprutade beläggningar uppvisade ofta en hög initial materialförlust, följd av en lägre, mer stabil erosionshastighet. Därför använde Hauer et al. den slutliga erosionshastigheten som en mer representativ indikator på beläggningens långtidsprestanda. I deras 120 minuter långa jämförelse utvärderades den slutliga erosionshastigheten huvudsakligen utifrån provningens andra hälft, efter 60 minuter, för att bättre fånga det stabiliserade beteendet.

Provningsresultaten visar varför en kontrollerad vibrationsapparat för kavitation är värdefull. Gjuten nickelaluminiumbrons uppnådde en slutlig erosionshastighet på cirka 0,40 µm/h. Optimerad varmsprutad brons nådde 0,57 µm/h, nära den gjutna referensen. En optimerad ljusbågssprutad beläggning på skeppsbyggnadsstål nådde cirka 1,02 µm/h, medan en optimerad HVOF-beläggning nådde cirka 1,74 µm/h. Även när dessa beläggningar inte helt motsvarade gjuten propellerbrons överträffade de skeppsbyggnadsstål avsevärt; studien rapporterar att ljusbågssprutade och HVOF-sprutade beläggningar uppnådde cirka 26 respektive 16 gånger bättre kavitationsbeständighet än VL-A-stål.

Använd en ultraljudsapparat som vibrationsapparat för dina kavitationserosionsprovningar

Den praktiska slutsatsen är att provning av kavitationserosion med ultraljudsapparaten UIP1000hdT som vibrationsapparat kan göra mer än att rangordna material. Den visar hur beläggningsprocess, mikrostruktur, oxidhalt, porositet, bindning i gränsytan och efterbehandling påverkar det faktiska erosionsbeteendet. Hauer et al. drog slutsatsen att HVOF- och ljusbågssprutning kan erbjuda en god kompromiss mellan prestanda och kostnad för att förbättra ytorna på stålroder, medan kall- och varmsprutning föredras när det krävs en kavitationsbeständighet nära den hos massiv nickelaluminiumbrons.

För laboratorier och beläggningsutvecklare är nyckeln till reproducerbara resultat strikt kontroll av provningsparametrarna: sonotrodens amplitud, frekvens, avståndet mellan sonotrod och prov, vätskans temperatur, vätskans kemiska egenskaper, preparering av provkroppar, vägningsintervall och beräkning av erosionshastighet. När dessa förhållanden har fastställts ger Hielscher UIP1000hdT ett praktiskt och repeterbart sätt att omsätta ultraljudskavitation i kvantitativa data om beläggningars prestanda.

Exempel på protokollblad för provning av kavitationserosion

 
Här hittar du anvisningar för provning av kavitationserosion!

Provningsuppställning för kavitationserosion enligt ASTM G32

Ultraljudsapparaterna UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT och UIP2000hdT är lämpliga för provning enligt ASTM G32. Vi kan leverera var och en av dessa enheter med ett exakt protokoll för amplitudmätning av den mekaniska amplituden vid sonotrodspetsen. Vi rekommenderar att någon av dessa apparater används med en sonotrod BS4d22 (22mm diameter) och ett stativ ST2.

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

Konstruktion, tillverkning och rådgivning – kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielschers ultraljudsapparater är välkända för sin högsta kvalitet och sina högsta konstruktionsstandarder. Robusthet och enkel användning gör att våra ultraljudsapparater smidigt kan integreras i industrianläggningar. Hielschers ultraljudsapparater klarar enkelt tuffa förhållanden och krävande miljöer.

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

Litteratur / Referenser

• 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.