Deniz Bronz Kaplamaların Pratik Kavitasyon Aşınma Testi

Kavitasyon erozyon testi, kontrollü bir laboratuvar maruziyetini gerçek bir mühendislik sorunuyla ilişkilendirdiğinde en yararlı hale gelir. Buna ilişkin pratik bir örnek, gemi dümenleri ve pervaneler gibi denizcilik bileşenleri için kavitasyona dayanıklı bronz kaplamaların değerlendirilmesidir. Bu parçalar, yerel basınç dalgalanmalarının yüzeye yakın yerlerde çöken buhar kabarcıkları oluşturabileceği ve bu da tekrarlanan yüksek yoğunluklu darbe yüklerine yol açabileceği bölgelerde çalışır. Zamanla bu durum, çukurlaşma, yorulma hasarı, kaplama bozulması ve malzeme kaybına neden olur.

Bronz Kaplamaların Kavitasyon Aşınma Testi

Hauer ve arkadaşlarının yaptığı çalışmada, soğuk püskürtme, ılık püskürtme, HVOF püskürtme ve ark püskürtme yöntemleriyle üretilen bronz kaplamalar, döküm nikel-alüminyum bronz ve gemi inşa çeliği ile karşılaştırılmıştır. Temel soru basitti: Hangi kaplama işlemi, deniz hizmetinde kavitasyona maruz kalmaya yeterince uzun süre dayanabilecek bir bronz yüzey oluşturabilir? Bu soruyu yanıtlamak için araştırmacılar, test sistemi olarak Hielscher UIP1000hdT ultrasonik titreşim sistemini içeren bir titreşim cihazı kullanarak ASTM G32-16 standardına dayalı bir kavitasyon erozyon testi gerçekleştirdiler.

Test Koşullarının Hassas Kontrolü ve Otomatik Veri Kaydı

UIP1000hdT ultrasonik cihaz, kavitasyon erozyon testleri için kullanılan aralıkta yüksek yoğunluklu, düşük frekanslı ultrason sağladığı için bu tür testler için son derece uygundur. 1000 watt'lık sonikatörün kullanıldığı kavitasyon erozyon testi düzeneği 20 kHz'de çalışır ve hassas proses izleme, genlik kontrolü, sıcaklık ölçümü ve test verilerinin otomatik olarak protokollenmesine olanak tanır. Kavitasyon yoğunluğu büyük ölçüde genlik, sıvı sıcaklığı, sıvı basıncı, sonotrod geometrisi ve sonotrod ile numune arasındaki mesafeye bağlı olduğundan bu işlevler önemlidir.

(a) UIP1000hd sonikatör kullanılarak ASTM G32-16 standardına göre yapılan kavitasyon aşınma testi (dolaylı yöntem). Tüm test parametreleri nominal değerlerdir; toleranslar standartta belirtilmiştir.
(b) Aşınma-zaman eğrisindeki şematik aşamalar ve test prosedüründeki karakteristik parametreler.
Grafikler ve çalışma: ©Hauer ve ark., 2021.

Bronz Kaplamaların Ultrasonik Kavitasyon Aşınma Testi

Deniz bronzu kaplama örneği için test, dolaylı ASTM G32 düzeninde gerçekleştirilmiştir. Bu düzenlemede numune, titreşimli boynuza tutturulmamıştır. Bunun yerine, ultrasonik sonotrod damıtılmış suda kavitasyon oluşturur ve kaplanmış numune, sonotrodun altında belirli bir boşluk bırakılarak sabitlenir. Hauer ve ark., numune ile sonotrod arasında 0,5 mm'lik bir mesafe, 20 kHz frekans ve 50 µm tepe-tepe genlik değerleri kullanmıştır. Test sıvısı, yaklaşık oda sıcaklığında (25 °C civarında) tutulan damıtılmış su olmuştur.

Numune hazırlığı kritik bir adımdır. Kavitasyona maruz bırakılmadan önce, kaplanmış yüzeyler aşamalı olarak taşlanıp 4 µm’nin altındaki ince bir elmas aşındırıcıya kadar parlatılmıştır. Bu işlem, aksi takdirde hemen koparak erozyon eğrisini bozabilecek gevşek bağlı parçacıkların veya yüzey düzensizliklerinin etkisini azaltır. Buradaki amaç, kaplamanın güzel görünmesini sağlamak değil, ölçülen kütle kaybının yetersiz yüzey hazırlığından ziyade kavitasyon direncini yansıtması için tekrarlanabilir bir başlangıç koşulu oluşturmaktır.

Ultrasonik Kavitasyon Aşınma Testi Yöntemi ve Sonuçları

Pratik test prosedürü oldukça basittir. İlk olarak, her numune temizlenir, kurutulur ve hassas bir terazi üzerinde tartılır. Ardından, 0,5 mm’lik boşluk dikkatli ve tekrarlanabilir bir şekilde ayarlanarak, UIP1000hdT sonikatörünün BS4d22 sonotrodu altındaki test hücresine yerleştirilir. Sonikatör, tanımlanan genlik ve frekansta çalıştırılırken, sıvı sıcaklığı, ısınmanın kavitasyon yoğunluğunu değiştirmesini önlemek için kontrol edilir. Tanımlanan maruz kalma süresinin ardından numune çıkarılır, temizlenir, kurutulur ve tekrar tartılır. Bu işlem dizisi, tam bir erozyon eğrisi elde edilene kadar, malzemeye bağlı olarak artan maruz kalma süreleri boyunca tekrarlanır.
Ham ölçüm, kütle kaybıdır. Mühendislik karşılaştırmaları için bu kütle kaybı, malzeme yoğunluğu kullanılarak hacim kaybına dönüştürülür. Ardından hacim kaybı, maruz kalan yüzey alanına bölünerek ortalama erozyon derinliği belirlenir. Araştırmacı, erozyon derinliği eğrisinden maksimum erozyon hızı, son erozyon hızı ve ortalama erozyon derinliği gibi karakteristik erozyon parametrelerini hesaplayabilir. Hielscher ayrıca, seçilen protokole bağlı olarak erozyonun, zaman başına veya uygulanan ultrasonik enerji başına kütle, hacim veya penetrasyon derinliği olarak raporlanabileceğini belirtmektedir.

Düzeltilmiş kaplama kalitesi parametrelerinin bir fonksiyonu olarak ortalama aşınma derinlikleri. Toz tavlama ve dolayısıyla toz mukavemetinin azalması, yüksek kaplama kalitelerine ulaşılmasını sağlar. Ekler, 100 dakikalık kavitasyon testi süresinin ardından ortaya çıkan yüzey hasarını göstermektedir.
Grafikler ve çalışma: ©Hauer ve ark., 2021.

Hauer çalışmasından çıkarılan önemli bir ders, erken aşınma oranlarının yanıltıcı olabileceğidir. Termal ve kinetik püskürtmeyle uygulanan kaplamalar genellikle yüksek bir başlangıç malzeme kaybı sergilemiş, bunu daha düşük ve daha istikrarlı bir aşınma oranı izlemiştir. Bu nedenle Hauer ve arkadaşları, uzun vadeli kaplama performansının daha temsil edici bir göstergesi olarak son aşınma oranını kullanmışlardır. 120 dakikalık karşılaştırmalarında, stabilize olmuş davranışı daha iyi yakalayabilmek için son aşama aşınma oranı esas olarak testin ikinci yarısında, yani 60 dakikadan sonra değerlendirildi.

Test sonuçları, kontrollü titreşimli kavitasyon cihazının neden değerli olduğunu ortaya koymaktadır. Döküm nikel-alüminyum bronz, yaklaşık 0,40 µm/h’lik bir nihai aşınma hızına ulaşmıştır. Optimize edilmiş sıcak püskürtme bronz ise 0,57 µm/h’ye ulaşarak döküm referans değerine yakın bir sonuç vermiştir. Gemi inşa çeliği üzerine uygulanan optimize edilmiş ark püskürtmeli kaplama yaklaşık 1,02 µm/h'ye ulaşırken, optimize edilmiş HVOF kaplama yaklaşık 1,74 µm/h'ye ulaşmıştır. Bu kaplamalar döküm pervane bronzuyla tam olarak eşleşmese bile, gemi inşa çeliğinden önemli ölçüde daha iyi performans göstermiştir; çalışmada, ark püskürtmeli ve HVOF püskürtmeli kaplamaların, VL-A çeliğine kıyasla sırasıyla yaklaşık 26 kat ve 16 kat daha iyi kavitasyon direnci sağladığı bildirilmektedir.

Kavitasyon Erozyon Testlerinizde Titreşim Cihazı Olarak Bir Sonikatör Kullanın

Pratik sonuç olarak, titreşim cihazı olarak UIP1000hdT sonikatörünün kullanıldığı kavitasyon erozyon testleri, malzemeleri sıralamaktan daha fazlasını başarabilir. Bu testler, kaplama işlemi, mikroyapı, oksit içeriği, gözeneklilik, arayüzey bağlanması ve son işlemlerin gerçek erozyon davranışını nasıl etkilediğini ortaya koymaktadır. Hauer ve arkadaşları, HVOF ve ark püskürtme yöntemlerinin çelik dümen yüzeylerini iyileştirmek için performans-maliyet açısından iyi bir denge sunduğu sonucuna varmışlardır; buna karşılık, kütle nikel-alüminyum bronzuna yakın kavitasyon direnci gerektiğinde ise soğuk ve ılık püskürtme yöntemlerinin tercih edildiği belirtilmiştir.

Laboratuvarlar ve kaplama geliştiricileri için, tekrarlanabilir sonuçların anahtarı, test parametrelerinin sıkı bir şekilde kontrol edilmesidir: sonotrod genliği, frekans, sonotrod-numune mesafesi, sıvı sıcaklığı, sıvı kimyası, numune hazırlığı, tartım aralıkları ve aşınma hızı hesaplaması. Bu koşullar belirlendiğinde, Hielscher UIP1000hdT, ultrasonik kavitasyonu nicel kaplama performansı verilerine dönüştürmek için pratik ve tekrarlanabilir bir yol sunar.

Kavitasyon Erozyon Testi için Örnek Çalışma Sayfası

 
Kavitasyon Aşınma Testleri ile ilgili talimatları burada bulabilirsiniz!

ASTM G32 Kavitasyon Erozyon Testi Düzenekleri

UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT ve UIP2000hdT ultrasonik cihazları, ASTM G32 testleri için uygundur. Bu cihazların her birini hassas bir Genlik Ölçüm Protokolü sonotrod ucundaki mekanik genlik. Bu cihazlardan herhangi birini, BS4d22 model sonotrod (22 mm çap) ve ST2 model sehpa ile birlikte kullanmanızı öneririz.

ASTM G32 -16 Değiştirilebilir Uçlu 15.9mm Sonotrode

Tasarım, İmalat ve Danışmanlık – Almanya'da Üretilen Kalite

Hielscher ultrasonicators en yüksek kalite ve tasarım standartları için iyi bilinir. Sağlamlık ve kolay kullanım, ultrasonicators'ımızın endüstriyel tesislere sorunsuz bir şekilde entegre edilmesini sağlar. Zorlu koşullar ve zorlu ortamlar Hielscher ultrasonicators tarafından kolayca ele alınır.

Hielscher Ultrasonics, ISO sertifikalı bir şirkettir ve en son teknoloji ve kullanıcı dostu özelliklere sahip yüksek performanslı ultrasonicators'a özel önem vermektedir. Tabii ki, Hielscher ultrasonicators CE uyumludur ve UL, CSA ve RoHs gereksinimlerini karşılar.

Literatür / Referanslar