Provning av kavitationserosion

Kavitationserosion uppstår på materialytor som utsätts för intensiv ultraljudskavitation. Provning av kavitationserosion är en snabb metod för att mäta materialens eller beläggningarnas erosionsbeständighet vid intensiv belastning och andra erosionsfaktorer. Den ger en enkel kvantitativ mätning för kvalitetskontroll och är användbar vid materialforskning eller formulering av beläggningar.

Varför använda provning av kavitationserosion?

Pågående erosion eller korrosion kan kräva regelbundet byte av delar eller förnyelse av ytbeläggningar. Erosion av materialytor på grund av mekanisk eller kemisk påverkan är en långsam process som leder till att materialytorna gradvis förstörs. Därför kan utvärderingen av materialets erosionsbeständighet eller av vätskors och slammens erosionseffekt vara en mycket tidskrävande process.
Provning av kavitationserosion med ultraljud utsätter materialytan för kontrollerade, intensiva och upprepade belastningscykler. Detta ger en betydande erosion av materialytan på kort tid. Du kan snabbt mäta erosionsbeständigheten för regelbunden kvalitetskontroll i produktionen, för utvärdering av inkommande material eller under forskning och utveckling.
Vanliga tillämpningar omfattar metallurgisk provning, provning av beläggningsformuleringar, provning av beläggningsapplicering eller utvärdering av erosionsinhibitorer i vätskor.

Varför orsakar kavitation yterosion?

Ultraljudsapparater, såsom UP400St (400 watt, 24kHz) eller UIP1000hdT (1000 watt, 20kHz), kopplar in ultraljudsvibrationer i vätskor, såsom vatten. Vibrationens snabba fram- och återgående rörelse i vätskan skapar kavitationsbubblor och får dem att kollapsa. När bubblorna kollapsar uppstår höga lokala mekaniska spänningar i vätskan och på exponerade materialytor. Vätskestrålar på upp till 1000km/h och lokala tryck på upp till 1000atm leder till snabb utmattning av materialytan. Detta kan avlägsna oxid- eller passiveringsskikt, beläggningar eller avlagringar. Det kan orsaka gropbildning i fasta material såsom stål, titan, aluminium, plast eller glas. Därför är provning av kavitationserosion en förstörande provningsmetod.

Hur fungerar provning av kavitationserosion?

Kavitationserosion av materialytor orsakar gradvis materialförlust. Du kan enkelt mäta materialförlusten genom att väga materialet på en precisionsvåg före och efter en definierad exponering för kavitationserosion. En typisk viktförändring vid provning av kavitationserosion är mellan 1 och 30mg. För ytterligare standardisering kan du beräkna volymförlusten genom att dividera viktförlusten med materialets densitet. Det genomsnittliga inträngningsdjupet (MDP) beräknas genom att dividera volymförlusten med provkroppens ytarea. Alternativt kan du mäta gropdjupet eller den undanträngda volymen. Du kan använda mikroskopisk analys för att få ytterligare kvalitativ information om erosionsmönstret.
När du använder en ultraljudsapparat från Hielscher för provning av kavitationserosion kan du förinställa det temperaturintervall och tryckintervall som du vill arbeta inom. Du kan justera ultraljudsbehandlingens amplitud. Alla parametrar övervakas, visas och loggas på ett SD-kort. Du behöver inte installera någon proprietär programvara. Om du vill kan du styra och övervaka ultraljudsprocessen från din vanliga webbläsare genom att ansluta ultraljudsapparaten till datorn via Ethernet-kabeln (medföljer).

Vad är standardmetoden ASTM G32 för kavitationserosion med en vibrerande apparat?

Standarden ASTM G32-16 beskriver en standardiserad metod för kavitationserosion. Den definierar en enkel, kontrollerbar och reproducerbar provning för att kvantifiera och jämföra olika materials motståndskraft mot kavitationserosion. Specifikationerna i ATSM G32-16 är användbara för att jämföra dina resultat med resultaten i andra publikationer. Om du vill införa provning av kavitationserosion i kvalitetskontrollen rekommenderar vi att du anpassar provningsprotokollet för kavitationserosion till dina specifika krav. Vi hjälper dig gärna att utforma ett anpassat provningsprotokoll för kavitationserosion. Klicka här för mer information om provning av kavitationserosion enligt ASTM-G32!

Varför bör jag använda en energigräns i stället för en tidsgräns?

Många publikationer och protokoll för erosionsprovning anger en exponeringstid för kavitation. På Hielschers ultraljudsapparater kan du förinställa en ultraljudsbehandlingstid, och systemet stannar när denna tid har gått. Du kan sedan beräkna den resulterande kavitationserosionshastigheten i mm/hr eller mm3/hr. En tidsgräns är acceptabel endast om du inte ändrar några parametrar, såsom vätskenivå, amplitud, tryck, temperatur, vätskesammansättning eller avståndet mellan sonotroden och materialytan. Om någon av dessa parametrar ändras, ändras även ultraljudsbehandlingens effekt och kavitationens intensitet. Det är viktigt att den faktiska nettoeffekt som tillförs vätskan inte varierar under provningen.
På Hielschers ultraljudsapparater kan du ställa in en energigräns. I detta fall stannar ultraljudsapparaten när den har tillfört den angivna ultraljudsenergin. Hielscher-apparaten visar och registrerar parametrar såsom faktisk nettoeffekt, amplitud, tryck och vätsketemperatur. Variationer i effekt eller avsiktliga parameterändringar kompenseras när en energigräns används. Du kan sedan ange den resulterande kavitationserosionshastigheten i mm/kWhr, mm3/kWhr eller mg/kWhr.
Om du väger provkroppen mellan intervallen med kavitationserosion kan du skapa en kurva som visar den marginella viktförlusten (viktförlusthastigheten i varje energiintervall) som funktion av den ackumulerade energin.
För mer precisa resultat kan apparaten utföra en automatisk kalibrering (30 sekunder). Då mäts effekten för alla amplitudinställningar i luft vid omgivningstryck. Hielscher-apparaten använder dessa kalibreringsdata för att ge mycket precisa nettoeffektvärden i realtid.

Vätsketryck under ultraljudsbehandling

Många standardprotokoll för provning av kavitationserosion använder ultraljudskavitation vid omgivningstryck. Vätsketrycket är den näst viktigaste faktorn för ultraljudsbehandlingens intensitet. En ökning av omgivningstrycket med 10% ökar ultraljudsbehandlingens intensitet med cirka 10%. Intensivare kavitation minskar den tid som behövs för att uppnå en viss grad av kavitationserosion. Provning av en enskild provkropp kan ofta ta mellan 15 och 120 minuter. Om du har många provkroppar att prova kan arbete vid högre tryck avsevärt förkorta tiden för varje provning. Provningar vid 5 barg (73psig) kräver cirka 80% mindre tid per provning.
Hielscher levererar trycktäta provningsceller med en digital trycksensor för provning av kavitationserosion. Med en trycktät cell kan du reglera och upprätthålla trycket under varje provning. Ultraljudsgeneratorn övervakar trycksensorn kontinuerligt och loggar det faktiska trycket i en Excel-kompatibel CSV-fil på ett SD-kort (ingår). Hielscher levererar tryckregulatorer för att ställa in och upprätthålla drifttrycket.
Som standard är Hielschers trycktäta provningsceller för provning av kavitationserosion klassade för upp till 5barg (73psig). Högre tryck på upp till 300barg (4350psig) finns tillgängliga på begäran.

Ultraljudsfrekvens

Vid provning av kavitationserosion används i allmänhet lågfrekevent ultraljud med hög intensitet inom intervallet 18–30kHz. Inom detta intervall har frekvensvariationen en mycket begränsad inverkan på kavitationens intensitet. Alla Hielscher-apparater arbetar med en konstant frekvens.

Avstånd från sonotroden

Materialet som ska provas kan monteras på sonotroden eller under sonotroden. Du kan tillverka en gängad provkropp av materialet och montera den på ultraljudssonotrodens ände. I detta fall vibrerar provkroppen med den angivna ultraljudsamplituden och alstrar kavitation på sin yta. Detta kräver precisionsbearbetning, och alla material är inte lämpliga för detta alternativ.
Alternativt kan du fixera en detalj eller provkropp strax under en titansonotrod. I detta fall alstrar titansonotroden kavitationen, och materialytan utsätts för kavitationen. Detta är det smidigare alternativet eftersom du kan placera provkroppar av olika storlekar eller former i provningscellen. Om du använder en större sonotrod, till exempel en sonotrod med en diameter på 50mm eller 80mm, kan du utsätta flera detaljer för kavitationserosion samtidigt. Detta är mycket användbart när du behöver prova många detaljer per dag, till exempel för kvalitetskontroll.
I båda fallen är avståndet mellan ultraljudssonotroden och den intilliggande materialytan mycket viktigt. I allmänhet går kavitationserosionen snabbare vid ett mindre avstånd. Typiska avstånd ligger mellan 0,2 och 15mm. För entydiga resultat bör du använda samma avstånd vid alla provningar.

Vätsketemperatur

Varmare vätska ger lägre intensitet hos ultraljudskavitationen. Tillförseln av mekanisk vibrationsenergi till vätskan gör att vätskan värms upp. För att upprätthålla en konstant temperatur under varje provning av kavitationserosion måste vätskan kylas. Hielscher levererar mantlade behållare och mantlade trycktäta celler. Alternativt kan du använda en kylslinga i en bägare eller placera bägaren i ett isbad. Ett kylmedium som strömmar genom manteln eller kylslingan för bort värme från vätskan.
Hielschers ultraljudsapparater, till exempel UP400St eller UIP1000hdT, levereras med en PT100-temperaturgivare (ingår). Ultraljudsgeneratorn övervakar den faktiska vätsketemperaturen kontinuerligt och loggar temperaturen i en Excel-kompatibel CSV-fil på ett SD-kort (ingår). Du kan ställa in generatorn så att den pausar provningen av kavitationserosion om vätsketemperaturen avviker för mycket från ditt börvärde, till exempel på grund av otillräcklig kylkapacitet. Generatorn kan återuppta ultraljudsbehandlingen automatiskt när vätskan åter har nått den angivna temperaturen.

Kaviterande vätska

Vid provning av kavitationserosion används i allmänhet vatten, till exempel destillerat vatten. Olika vätskor uppvisar olika kavitationsegenskaper. Om vatten är korrosivt för ditt material kan du vilja prova alternativa vätskor, till exempel lågviskösa silikonoljor eller organiska lösningsmedel, för att eliminera eller minska den korrosiva faktorn. Alternativt kan du göra vätskan mer korrosiv, till exempel genom att ändra pH-värdet, eller mer abrasiv genom att tillsätta abrasiva partiklar. Du kan använda provning av kavitationserosion för att utvärdera hur erosiva och korrosiva vätskor, till exempel borrslam, är eller för att utvärdera effektiviteten hos korrosions- eller erosionsinhibitorer.

Bearbetning

När du tillverkar en komponent eller en provkropp orsakar CNC-bearbetning, slipning eller polering skador på kornstrukturen nära materialytan. Detta minskar erosionsbeständigheten.

Passiverings-/oxidskikt

Mycket ofta uppstår erosion och korrosion samtidigt. Vatten, till exempel destillerat, demineraliserat eller avjoniserat vatten, kan vara korrosivt för många material. Ultraljudskavitation främjar korrosion. Passiveringsskikt, till exempel på anodiserat aluminium, ökar en materialytas beständighet mot erosion och korrosion.

Vilka begränsningar har provning av kavitationserosion?

Vissa elastomerer kan kräva mycket intensiv kavitationsexponering för att över huvud taget uppvisa någon kavitationserosion. I detta fall kanske ultraljudsbehandling utan en trycksatt cell inte ger någon mätbar effekt.