Denizcilikte Kullanılan Bronz Kaplamaların Uygulamalı Kavitasyon Erozyonu Testleri

Kavitasyon erozyonu testleri, kontrollü bir laboratuvar maruziyetini gerçek bir mühendislik problemiyle ilişkilendirdiğinde en yararlı hale gelir. Gemi dümenleri ve pervaneleri gibi denizcilik bileşenleri için kavitasyona dayanıklı bronz kaplamaların değerlendirilmesi, uygulamalı bir örnektir. Bu parçalar, yerel basınç dalgalanmalarının yüzey yakınında çöken buhar kabarcıkları oluşturabildiği ve böylece tekrarlanan yüksek şiddetli darbe yüklerinin meydana geldiği bölgelerde çalışır. Zamanla bu durum çukurlaşmaya, yorulma hasarına, kaplama hasarına ve malzeme kaybına yol açar.

Bronz Kaplamaların Kavitasyon Erozyonu Testi

Hauer ve diğerlerinin çalışmasında, soğuk püskürtme, ılık püskürtme, HVOF püskürtme ve ark püskürtme ile üretilen bronz kaplamalar, döküm nikel alüminyum bronzu ve gemi inşa çeliği ile karşılaştırılmıştır. Temel soru basitti: Hangi kaplama işlemi, denizcilikte kullanım için kavitasyon maruziyetine yeterince uzun süre dayanabilen bir bronz yüzey üretebilir? Araştırmacılar, bu soruyu yanıtlamak için test sistemi olarak bir Hielscher UIP1000hdT ultrasonik titreşim sistemini de içeren titreşimli bir düzenekle ASTM G32-16 esaslı bir kavitasyon erozyonu testi uygulamıştır.

Test Koşullarının Hassas Kontrolü ve Otomatik Veri Kaydı

UIP1000hdT sonikatörü, kavitasyon erozyonu testlerinde kullanılan aralıkta yüksek şiddetli, düşük frekanslı ultrason sağladığı için bu tür testlere oldukça uygundur. 1000 wattlık sonikatörün kullanıldığı kavitasyon erozyonu test düzeneği 20 kHz frekansta çalışır ve hassas proses izleme, genlik kontrolü, sıcaklık ölçümü ve test verilerinin otomatik kaydına olanak tanır. Kavitasyon şiddeti genliğe, sıvı sıcaklığına, sıvı basıncına, sonotrot geometrisine ve sonotrot ile numune arasındaki mesafeye güçlü biçimde bağlı olduğundan bu işlevler önemlidir.

(a) UIP1000hd sonikatörü ile ASTM G32-16 uyarınca kavitasyon erozyonu testi (dolaylı yöntem). Tüm test parametreleri nominal değerlerdir; toleranslar standartta listelenmiştir.
(b) Erozyon–zaman eğrisindeki şematik evreler ve test prosedüründeki karakteristik parametreler.
Grafikler ve çalışma: ©Hauer et al., 2021.

Bronz Kaplamaların Ultrasonik Kavitasyon Erozyonu Testi

Denizcilikte kullanılan bronz kaplama örneğinde test, dolaylı ASTM G32 düzeninde gerçekleştirilmiştir. Bu konfigürasyonda numune, titreşen horna bağlı değildir. Bunun yerine ultrasonik sonotrot, damıtılmış suda kavitasyon oluşturur ve kaplanmış numune, sonotrodun altında belirlenmiş bir boşluk bırakılarak sabitlenir. Hauer ve diğerleri, numune ile sonotrot arasında 0,5 mm mesafe, 20 kHz frekans ve 50 µm tepeden tepeye genlik kullanmıştır. Test sıvısı, yaklaşık oda sıcaklığında, 25 °C civarında tutulan damıtılmış sudur.

Numune hazırlığı kritik bir adımdır. Kavitasyon maruziyetinden önce kaplanmış yüzeyler, 4 µm altındaki ince elmas aşındırıcıya kadar kademeli olarak taşlanmış ve parlatılmıştır. Bu, aksi halde hemen ayrılıp erozyon eğrisini çarpıtabilecek gevşek bağlı parçacıkların veya yüzey düzensizliklerinin etkisini azaltır. Amaç kaplamanın iyi görünmesini sağlamak değil, ölçülen kütle kaybının yetersiz yüzey hazırlığı yerine kavitasyon direncini yansıtması için tekrarlanabilir bir başlangıç koşulu oluşturmaktır.

Ultrasonik Kavitasyon Erozyonu Testlerinin Prosedürü ve Sonuçları

Uygulamalı test prosedürü basittir. Önce her numune temizlenir, kurutulur ve hassas bir terazide tartılır. Ardından, 0,5 mm boşluk dikkatli ve tekrarlanabilir biçimde ayarlanarak UIP1000hdT sonikatörünün BS4d22 sonotrodunun altındaki test hücresine monte edilir. Sonikatör belirlenmiş genlik ve frekansta çalıştırılırken, ısınmanın kavitasyon şiddetini değiştirmesini önlemek için sıvı sıcaklığı kontrol edilir. Belirlenmiş bir maruziyet süresinin ardından numune çıkarılır, temizlenir, kurutulur ve yeniden tartılır. Bu işlem dizisi, tam bir erozyon eğrisi elde edilene kadar malzemeye bağlı olarak giderek artan maruziyet süreleriyle tekrarlanır.
Ham ölçüm kütle kaybıdır. Mühendislik açısından karşılaştırma yapmak için bu kütle kaybı, malzeme yoğunluğu kullanılarak hacim kaybına dönüştürülür. Ardından hacim kaybı, ortalama erozyon derinliğini belirlemek için maruz kalan yüzey alanına bölünür. Araştırmacı, erozyon derinliği eğrisinden maksimum erozyon hızı, son evre erozyon hızı ve ortalama erozyon derinliği gibi karakteristik erozyon parametrelerini hesaplayabilir. Hielscher ayrıca, seçilen protokole bağlı olarak erozyonun birim zaman veya aktarılan birim ultrasonik enerji başına kütle, hacim ya da penetrasyon derinliği olarak raporlanabileceğini belirtir.

Ayarlanmış kaplama kalitesi parametreleri n’nin fonksiyonu olarak ortalama erozyon derinlikleri. Tozun tavlanması ve bunun sonucunda toz dayanımının azalması, yüksek kaplama kalitelerine ulaşılmasına olanak tanır. İçteki küçük görseller, 100min kavitasyon testi süresinin ardından oluşan yüzey hasarını gösterir.
Grafikler ve çalışma: ©Hauer et al., 2021.

Hauer çalışmasından çıkarılan önemli bir ders, erken evredeki erozyon hızlarının yanıltıcı olabileceğidir. Termal ve kinetik püskürtme ile uygulanan kaplamalarda çoğu kez başlangıçta yüksek malzeme kaybı görülmüş, bunu daha düşük ve daha kararlı bir erozyon hızı izlemiştir. Bu nedenle Hauer ve diğerleri, uzun vadeli kaplama performansını daha iyi temsil eden bir gösterge olarak son evre erozyon hızını kullanmıştır. 120 dakikalık karşılaştırmalarında, kararlı hale gelen davranışı daha iyi yansıtmak için son evre erozyon hızı esas olarak testin ikinci yarısında, 60 dakikadan sonra değerlendirilmiştir.

Test sonuçları, kontrollü bir titreşimli kavitasyon düzeneğinin neden değerli olduğunu gösterir. Döküm nikel alüminyum bronzu, yaklaşık 0,40 µm/h son evre erozyon hızına ulaşmıştır. Optimize edilmiş ılık püskürtme bronz kaplama, döküm referansına yakın olan 0,57 µm/h değerine ulaşmıştır. Gemi inşa çeliği üzerinde optimize edilmiş bir ark püskürtme kaplama yaklaşık 1,02 µm/h değerine ulaşırken, optimize edilmiş bir HVOF kaplama yaklaşık 1,74 µm/h değerine ulaşmıştır. Bu kaplamalar döküm pervane bronzuyla tam olarak eşleşmediğinde bile gemi inşa çeliğinden çok daha iyi performans göstermiştir; çalışmada, ark püskürtme ve HVOF püskürtme kaplamaların VL-A çeliğine göre sırasıyla yaklaşık 26 kat ve 16 kat daha iyi kavitasyon direncine ulaştığı bildirilmiştir.

Kavitasyon Erozyonu Testlerinizde Titreşimli Düzenek Olarak Bir Sonikatör Kullanın

Uygulama açısından çıkarılan sonuç, titreşimli düzenek olarak UIP1000hdT sonikatörüyle yapılan kavitasyon erozyonu testlerinin malzemeleri sıralamaktan daha fazlasını yapabildiğidir. Bu testler, kaplama işleminin, mikroyapının, oksit içeriğinin, gözenekliliğin, arayüz bağlanmasının ve son işlemin gerçek erozyon davranışını nasıl etkilediğini ortaya koyar. Hauer ve diğerleri, çelik dümen yüzeylerini iyileştirmek için HVOF ve ark püskürtmenin güçlü bir performans–maliyet dengesi sunabileceği, buna karşılık kütlesel nikel alüminyum bronzuna yakın kavitasyon direnci gerektiğinde soğuk ve ılık püskürtmenin tercih edildiği sonucuna varmıştır.

Laboratuvarlar ve kaplama geliştiricileri için tekrarlanabilir sonuçların anahtarı, test parametrelerinin sıkı kontrolüdür: sonotrot genliği, frekans, sonotrot ile numune arasındaki mesafe, sıvı sıcaklığı, sıvının kimyasal özellikleri, numune hazırlığı, tartım aralıkları ve erozyon hızı hesaplaması. Bu koşullar tanımlandığında Hielscher UIP1000hdT, ultrasonik kavitasyonu nicel kaplama performansı verilerine dönüştürmek için pratik ve tekrarlanabilir bir yol sunar.

Kavitasyon Erozyonu Testleri için Örnek Çalışma Formu

 
Kavitasyon Erozyonu Testlerine ilişkin talimatları burada bulabilirsiniz!

ASTM G32 Kavitasyon Erozyonu Test Düzeneği

UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT ve UIP2000hdT sonikatörleri ASTM G32 testleri için uygundur. Bu cihazların her birini sonotrot ucundaki mekanik genliğe ilişkin hassas bir genlik ölçüm protokolü ile tedarik edebiliriz. Bu cihazlardan herhangi birinin BS4d22 sonotrodu (22mm çap) ve ST2 standı ile kullanılmasını öneririz.

ASTM G32 -16 Değiştirilebilir Uçlu 15,9mm Sonotrot

Tasarım, Üretim ve Danışmanlık – Almanya’da Üretilen Kalite

Hielscher sonikatörleri, en yüksek kalite ve tasarım standartlarıyla tanınır. Sağlamlık ve kolay kullanım, sonikatörlerimizin endüstriyel tesislere sorunsuz entegrasyonuna olanak tanır. Hielscher sonikatörleri, zorlu koşulların ve yüksek gereksinimli ortamların üstesinden kolayca gelir.

Hielscher Ultrasonics, ISO sertifikalı bir şirkettir ve en ileri teknolojiye ve kullanıcı dostu özelliklere sahip yüksek performanslı sonikatörlere özel önem verir. Elbette Hielscher sonikatörleri CE uyumludur ve UL, CSA ve RoHs gerekliliklerini karşılar.

Literatür / Kaynaklar

• 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.