การทดสอบการกัดเซาะจากคาวิเทชันของสารเคลือบบรอนซ์สำหรับงานทางทะเลในทางปฏิบัติ

การทดสอบการกัดเซาะจากคาวิเทชันมีประโยชน์มากที่สุดเมื่อเชื่อมโยงการสัมผัสคาวิเทชันภายใต้การควบคุมในห้องปฏิบัติการเข้ากับปัญหาทางวิศวกรรมที่เกิดขึ้นจริง ตัวอย่างในทางปฏิบัติคือการประเมินสารเคลือบบรอนซ์ที่ทนต่อคาวิเทชันสำหรับชิ้นส่วนทางทะเล เช่น หางเสือและใบจักรเรือ ชิ้นส่วนเหล่านี้ทำงานในบริเวณที่ความผันผวนของความดันเฉพาะจุดสามารถก่อให้เกิดฟองไอที่ยุบตัวใกล้พื้นผิว ทำให้เกิดแรงกระแทกความเข้มสูงซ้ำ ๆ เมื่อเวลาผ่านไป สิ่งนี้ทำให้เกิดหลุมบนพื้นผิว ความเสียหายจากความล้า การเสียหายของสารเคลือบ และการสูญเสียเนื้อวัสดุ

การทดสอบการกัดเซาะจากคาวิเทชันของสารเคลือบบรอนซ์

ในการศึกษาของ Hauer และคณะ ได้เปรียบเทียบสารเคลือบบรอนซ์ที่ผลิตด้วยการพ่นแบบเย็น การพ่นแบบอุ่น การพ่น HVOF และการพ่นอาร์ก กับบรอนซ์นิกเกิลอะลูมิเนียมหล่อและเหล็กสำหรับต่อเรือ คำถามหลักนั้นเรียบง่าย: กระบวนการเคลือบใดสามารถสร้างพื้นผิวบรอนซ์ที่ทนต่อการสัมผัสคาวิเทชันได้นานเพียงพอสำหรับการใช้งานทางทะเล? เพื่อตอบคำถามนี้ นักวิจัยใช้การทดสอบการกัดเซาะจากคาวิเทชันตาม ASTM G32-16 ด้วยอุปกรณ์สั่น โดยใช้ระบบสั่นอัลตราโซนิก Hielscher UIP1000hdT เป็นระบบทดสอบ

การควบคุมสภาวะการทดสอบอย่างแม่นยำและการบันทึกข้อมูลอัตโนมัติ

เครื่องอัลตราโซนิก UIP1000hdT เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการทดสอบประเภทนี้ เนื่องจากให้คลื่นอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงและความถี่ต่ำในช่วงที่ใช้สำหรับการทดสอบการกัดเซาะจากคาวิเทชัน ชุดทดสอบการกัดเซาะจากคาวิเทชันที่ใช้เครื่องอัลตราโซนิกกำลัง 1000 วัตต์ทำงานที่ 20 kHz และสามารถติดตามกระบวนการอย่างแม่นยำ ควบคุมแอมพลิจูด วัดอุณหภูมิ และบันทึกข้อมูลการทดสอบโดยอัตโนมัติ ฟังก์ชันเหล่านี้มีความสำคัญ เนื่องจากความเข้มของคาวิเทชันขึ้นอยู่กับแอมพลิจูด อุณหภูมิของของเหลว ความดันของของเหลว รูปทรงของโซโนโทรด และระยะห่างระหว่างโซโนโทรดกับชิ้นทดสอบอย่างมาก

(a) การทดสอบการกัดเซาะจากคาวิเทชันตาม ASTM G32-16 ด้วยเครื่องอัลตราโซนิก UIP1000hd (วิธีทางอ้อม) พารามิเตอร์การทดสอบทั้งหมดเป็นค่าที่ระบุไว้ โดยค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ระบุอยู่ในมาตรฐาน
(b) แผนภาพแสดงช่วงต่าง ๆ ในเส้นโค้งการกัดเซาะตามเวลาและพารามิเตอร์ลักษณะเฉพาะในขั้นตอนการทดสอบ
ภาพประกอบและการศึกษา: ©Hauer และคณะ, 2021.

การทดสอบการกัดเซาะจากคาวิเทชันด้วยอัลตราโซนิกของสารเคลือบบรอนซ์

สำหรับตัวอย่างสารเคลือบบรอนซ์สำหรับงานทางทะเล การทดสอบดำเนินการโดยจัดชุดทดสอบแบบทางอ้อมตาม ASTM G32 ในการจัดชุดทดสอบนี้ ชิ้นทดสอบไม่ได้ยึดติดกับฮอร์นที่สั่น แต่โซโนโทรดอัลตราโซนิกจะสร้างคาวิเทชันในน้ำกลั่น และชิ้นทดสอบที่เคลือบแล้วจะถูกยึดไว้ใต้โซโนโทรดโดยเว้นช่องว่างตามที่กำหนด Hauer และคณะ ใช้ระยะห่างระหว่างตัวอย่างกับโซโนโทรด 0.5 mm ความถี่ 20 kHz และแอมพลิจูดจากยอดถึงยอด 50 µm ของเหลวทดสอบคือน้ำกลั่น ซึ่งควบคุมให้อยู่ที่อุณหภูมิประมาณอุณหภูมิห้อง ราว 25 °C

การเตรียมชิ้นทดสอบเป็นขั้นตอนที่สำคัญอย่างยิ่ง ก่อนสัมผัสคาวิเทชัน พื้นผิวที่เคลือบแล้วได้รับการเจียรและขัดเป็นลำดับขั้น จนถึงการใช้สารขัดเพชรละเอียดขนาดต่ำกว่า 4 µm วิธีนี้ช่วยลดอิทธิพลของอนุภาคที่ยึดติดอย่างหลวม ๆ หรือความไม่สม่ำเสมอของพื้นผิว ซึ่งอาจหลุดออกทันทีและทำให้เส้นโค้งการกัดเซาะคลาดเคลื่อนได้ เป้าหมายไม่ได้อยู่ที่การทำให้สารเคลือบดูสวยงาม แต่อยู่ที่การสร้างสภาวะเริ่มต้นที่ทำซ้ำได้ เพื่อให้การสูญเสียมวลที่วัดได้สะท้อนความต้านทานต่อคาวิเทชัน แทนที่จะสะท้อนการเตรียมพื้นผิวที่ไม่ดี

ขั้นตอนการทดสอบการกัดเซาะจากคาวิเทชันด้วยอัลตราโซนิกและผลการทดสอบ

ขั้นตอนการทดสอบในทางปฏิบัตินั้นตรงไปตรงมา ขั้นแรก ชิ้นทดสอบแต่ละชิ้นจะได้รับการทำความสะอาด ทำให้แห้ง และชั่งด้วยเครื่องชั่งความแม่นยำสูง จากนั้นติดตั้งชิ้นทดสอบในเซลล์ทดสอบใต้โซโนโทรด BS4d22 ของเครื่องอัลตราโซนิก UIP1000hdT โดยตั้งช่องว่าง 0.5 mm อย่างระมัดระวังและให้ทำซ้ำได้ เครื่องอัลตราโซนิกทำงานที่แอมพลิจูดและความถี่ที่กำหนด ขณะเดียวกันก็มีการควบคุมอุณหภูมิของของเหลวเพื่อป้องกันไม่ให้ความร้อนทำให้ความเข้มของคาวิเทชันเปลี่ยนแปลง เมื่อครบช่วงเวลาสัมผัสคาวิเทชันที่กำหนด จะนำชิ้นทดสอบออกมาทำความสะอาด ทำให้แห้ง และชั่งอีกครั้ง ลำดับขั้นตอนนี้จะทำซ้ำโดยเพิ่มช่วงเวลาสัมผัสคาวิเทชันตามชนิดของวัสดุ จนได้เส้นโค้งการกัดเซาะที่สมบูรณ์
ค่าที่วัดได้โดยตรงคือการสูญเสียมวล สำหรับการเปรียบเทียบทางวิศวกรรม การสูญเสียมวลนี้จะถูกแปลงเป็นการสูญเสียปริมาตรโดยใช้ความหนาแน่นของวัสดุ จากนั้นนำการสูญเสียปริมาตรมาหารด้วยพื้นที่ผิวที่สัมผัสคาวิเทชัน เพื่อหาความลึกเฉลี่ยของการกัดเซาะ จากเส้นโค้งความลึกของการกัดเซาะ นักวิจัยสามารถคำนวณพารามิเตอร์ลักษณะเฉพาะของการกัดเซาะ เช่น อัตราการกัดเซาะสูงสุด อัตราการกัดเซาะช่วงท้าย และความลึกเฉลี่ยของการกัดเซาะ Hielscher ยังระบุด้วยว่า การกัดเซาะสามารถรายงานในรูปของมวล ปริมาตร หรือความลึกที่กัดเซาะเข้าไป ต่อเวลา หรือต่อพลังงานอัลตราโซนิกที่ส่งให้ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับวิธีการทดสอบที่เลือก

ความลึกเฉลี่ยของการกัดเซาะเป็นฟังก์ชันของพารามิเตอร์คุณภาพสารเคลือบ n ที่ปรับค่าแล้ว การอบอ่อนผงซึ่งทำให้ความแข็งแรงของผงลดลงช่วยให้ได้สารเคลือบคุณภาพสูง ภาพแทรกแสดงความเสียหายของพื้นผิวที่เกิดขึ้นหลังจากทดสอบคาวิเทชันเป็นเวลา 100min.
กราฟและการศึกษา: ©Hauer และคณะ, 2021.

บทเรียนสำคัญประการหนึ่งจากการศึกษาของ Hauer คืออัตราการกัดเซาะในช่วงแรกอาจทำให้เข้าใจผิดได้ สารเคลือบที่พ่นด้วยกระบวนการทางความร้อนและทางจลน์มักแสดงการสูญเสียเนื้อวัสดุสูงในช่วงแรก แล้วตามด้วยอัตราการกัดเซาะที่ต่ำลงและคงที่มากขึ้น ด้วยเหตุนี้ Hauer และคณะ จึงใช้อัตราการกัดเซาะช่วงท้ายเป็นตัวชี้วัดที่สะท้อนสมรรถนะระยะยาวของสารเคลือบได้ดีกว่า ในการเปรียบเทียบเป็นเวลา 120 นาทีของพวกเขา อัตราการกัดเซาะช่วงท้ายได้รับการประเมินโดยอาศัยข้อมูลจากครึ่งหลังของการทดสอบเป็นหลัก คือหลัง 60 นาที เพื่อให้สะท้อนพฤติกรรมที่เข้าสู่สภาวะคงที่ได้ดียิ่งขึ้น

ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าเหตุใดอุปกรณ์สร้างคาวิเทชันแบบสั่นที่ควบคุมได้จึงมีคุณค่า บรอนซ์นิกเกิลอะลูมิเนียมหล่อมีอัตราการกัดเซาะช่วงท้ายประมาณ 0.40 µm/h บรอนซ์ที่พ่นแบบอุ่นและผ่านการปรับให้เหมาะสมมีอัตรา 0.57 µm/h ซึ่งใกล้เคียงกับวัสดุหล่ออ้างอิง สารเคลือบพ่นอาร์กที่ผ่านการปรับให้เหมาะสมบนเหล็กสำหรับต่อเรือมีอัตราประมาณ 1.02 µm/h ขณะที่สารเคลือบ HVOF ที่ผ่านการปรับให้เหมาะสมมีอัตราประมาณ 1.74 µm/h แม้ว่าสารเคลือบเหล่านี้จะยังมีสมรรถนะไม่เทียบเท่าบรอนซ์หล่อสำหรับใบจักรเรืออย่างเต็มที่ แต่ก็มีสมรรถนะเหนือกว่าเหล็กสำหรับต่อเรืออย่างมาก โดยการศึกษารายงานว่าสารเคลือบพ่นอาร์กและสารเคลือบพ่น HVOF มีความต้านทานต่อคาวิเทชันดีกว่าเหล็ก VL-A ประมาณ 26 เท่าและ 16 เท่า ตามลำดับ

ใช้เครื่องอัลตราโซนิกเป็นอุปกรณ์สั่นสำหรับการทดสอบการกัดเซาะจากคาวิเทชันของคุณ

ข้อสรุปในทางปฏิบัติคือ การทดสอบการกัดเซาะจากคาวิเทชันโดยใช้เครื่องอัลตราโซนิก UIP1000hdT เป็นอุปกรณ์สั่นสามารถทำได้มากกว่าการจัดอันดับวัสดุ การทดสอบนี้เผยให้เห็นว่ากระบวนการเคลือบ โครงสร้างจุลภาค ปริมาณออกไซด์ ความพรุน การยึดเหนี่ยวที่รอยต่อ และการปรับสภาพหลังการเคลือบ ส่งผลต่อพฤติกรรมการกัดเซาะจริงอย่างไร Hauer และคณะ สรุปว่าการพ่น HVOF และการพ่นอาร์กสามารถให้ความสมดุลที่ดีมากระหว่างสมรรถนะกับต้นทุนในการปรับปรุงพื้นผิวหางเสือเหล็ก ขณะที่การพ่นแบบเย็นและแบบอุ่นเป็นทางเลือกที่เหมาะกว่าเมื่อต้องการความต้านทานต่อคาวิเทชันใกล้เคียงกับบรอนซ์นิกเกิลอะลูมิเนียมเนื้อตัน

สำหรับห้องปฏิบัติการและผู้พัฒนาสารเคลือบ กุญแจสำคัญในการได้ผลลัพธ์ที่ทำซ้ำได้คือการควบคุมพารามิเตอร์การทดสอบอย่างเคร่งครัด ได้แก่ แอมพลิจูดของโซโนโทรด ความถี่ ระยะห่างระหว่างโซโนโทรดกับตัวอย่าง อุณหภูมิของของเหลว องค์ประกอบทางเคมีของของเหลว การเตรียมชิ้นทดสอบ ช่วงเวลาระหว่างการชั่ง และการคำนวณอัตราการกัดเซาะ เมื่อกำหนดสภาวะเหล่านี้แล้ว Hielscher UIP1000hdT จะเป็นวิธีที่ใช้งานได้จริงและทำซ้ำได้ในการเปลี่ยนคาวิเทชันจากอัลตราโซนิกให้เป็นข้อมูลเชิงปริมาณเกี่ยวกับสมรรถนะของสารเคลือบ

ตัวอย่างแบบบันทึกข้อมูลสำหรับการทดสอบการกัดเซาะจากคาวิเทชัน

 
ดูคำแนะนำสำหรับการทดสอบการกัดเซาะจากคาวิเทชันได้ที่นี่!

ชุดทดสอบการกัดเซาะจากคาวิเทชันตาม ASTM G32

เครื่องอัลตราโซนิก UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT และ UIP2000hdT เหมาะสำหรับการทดสอบตาม ASTM G32 เราสามารถจัดหาเครื่องเหล่านี้แต่ละเครื่องพร้อม เอกสารการวัดแอมพลิจูด เชิงกลที่ปลายโซโนโทรดอย่างแม่นยำ เราแนะนำให้ใช้เครื่องใดเครื่องหนึ่งในกลุ่มนี้ร่วมกับโซโนโทรด BS4d22 (เส้นผ่านศูนย์กลาง 22mm) และขาตั้ง ST2

โซโนโทรดขนาด 15.9mm พร้อมปลายหัวที่เปลี่ยนได้สำหรับ ASTM G32 -16

การออกแบบ การผลิต และการให้คำปรึกษา – คุณภาพที่ผลิตในเยอรมนี

เครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher เป็นที่รู้จักกันดีในด้านมาตรฐานคุณภาพและการออกแบบที่สูงที่สุด ความทนทานและการใช้งานที่ง่ายช่วยให้ผสานเครื่องอัลตราโซนิกของเราเข้ากับสถานประกอบการอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น เครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher รับมือกับสภาวะที่รุนแรงและสภาพแวดล้อมที่มีข้อเรียกร้องสูงได้อย่างง่ายดาย

Hielscher Ultrasonics เป็นบริษัทที่ได้รับการรับรอง ISO และให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงที่ใช้เทคโนโลยีล้ำสมัยและใช้งานได้สะดวก แน่นอนว่าเครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher เป็นไปตามข้อกำหนด CE และตรงตามข้อกำหนดของ UL, CSA และ RoHs

วรรณกรรม / เอกสารอ้างอิง

• 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.