Практичне тестування кавітаційної ерозії морських бронзових покриттів

Тестування кавітаційної ерозії є найбільш корисним, коли воно пов’язує контрольоване лабораторне випробування з реальною інженерною проблемою. Практичним прикладом є оцінка бронзових покриттів, стійких до кавітації, для морських компонентів, таких як керма та гвинти суден. Ці частини працюють у зонах, де локальні коливання тиску можуть генерувати бульбашки пари, які колапсують біля поверхні, створюючи повторювані високі інтенсивні ударні навантаження. З часом це призводить до утворення вибоїн, втомного руйнування, відмови покриття та втрати матеріалу.

Тест кавітаційної ерозії бронзових покриттів

У дослідженні Hauer et al. порівнювали бронзові покриття, отримані холодним напыленням, теплим напыленням, HVOF-напыленням та дуговим напыленням, з литим нікель-алюмінієвим бронзом та суднобудівною сталлю. Центральне питання було простим: який процес нанесення покриття може створити бронзову поверхню, яка витримує кавітаційне вплив достатньо довго для морської експлуатації? Щоб відповісти на це, дослідники використовували тест кавітаційної ерозії на основі ASTM G32-16 з вібраційним апаратом, включаючи ультразвукову вібраційну систему Hielscher UIP1000hdT як тестову систему.

Точне керування умовами тесту та автоматизований запис даних

Сонікатор UIP1000hdT добре підходить для цього типу тестів, оскільки він забезпечує високі інтенсивності низькочастотного ультразвуку в діапазоні, що використовується для тестування кавітаційної ерозії. Установка для тесту кавітаційної ерозії з використанням 1000-ватного сонікатора працює на частоті 20 kHz і дозволяє здійснювати точний моніторинг процесу, керування амплітудою, вимірювання температури та автоматичне протоколювання даних тесту. Ці функції важливі, оскільки інтенсивність кавітації сильно залежить від амплітуди, температури рідини, тиску рідини, геометрії сонотрода та відстані між сонотродом і зразком.

(a) Тест кавітаційної ерозії відповідно до ASTM G32-16 з сонікатором UIP1000hd (непрямий метод). Усі параметри тесту є номінальними значеннями; допуски зазначені у стандарті.
(b) Схематичні фази на кривій ерозії в часі та характерні параметри в процедурі тесту.
Графіки та дослідження: ©Hauer et al., 2021.

Ультразвуковий тест кавітаційної ерозії бронзових покриттів

Для прикладу з морським бронзовим покриттям тест проводився в непрямій конфігурації ASTM G32. У цій конфігурації зразок не прикріплений до вібруючого рогу. Натомість ультразвуковий сонотрод генерує кавітацію в дистильованій воді, а покритий зразок закріплений під сонотродом на визначеній відстані. Hauer et al. використовували відстань 0,5 mm між зразком і сонотродом, частоту 20 kHz та амплітуду від піку до піку 50 µm. Тестова рідина була дистильованою водою, що утримувалася приблизно при кімнатній температурі, близько 25 °C.

Підготовка зразків є критичним етапом. Перед кавітаційним впливом покриті поверхні поступово шліфували та полірували до дрібного алмазного абразиву менше 4 µm. Це зменшує вплив слабко закріплених частинок або поверхневих нерівностей, які інакше могли б відшаруватися негайно та спотворити криву ерозії. Мета полягає не в тому, щоб покриття виглядало добре, а в тому, щоб створити відтворювані початкові умови, щоб виміряна втрата маси відображала стійкість до кавітації, а не погану підготовку поверхні.

Процедура ультразвукового тестування кавітаційної ерозії та її результати

Практична процедура випробування є простою. Спочатку кожен зразок очищують, сушать і зважують на прецизійних вагах. Потім його монтують у випробувальну комірку під сонотродом BS4d22 ультразвукового обробника UIP1000hdT, ретельно та відтворювано встановлюючи зазор 0,5 mm. Ультразвуковий обробник працює на визначеній амплітуді та частоті, тоді як температура рідини контролюється, щоб нагрівання не змінювало інтенсивність кавітації. Після визначеного інтервалу експозиції зразок виймають, очищують, сушать і знову зважують. Цю послідовність повторюють протягом зростаючих, залежних від матеріалу інтервалів експозиції, доки не буде отримано повну криву ерозії.
Первинним вимірюванням є втрата маси. Для інженерного порівняння цю втрату маси перетворюють на втрату об’єму, використовуючи густину матеріалу. Потім втрату об’єму ділять на площу відкритої поверхні, щоб визначити середню глибину ерозії. З кривої глибини ерозії дослідник може розрахувати характерні параметри ерозії, такі як максимальна швидкість ерозії, кінцева швидкість ерозії та середня глибина ерозії. Hielscher також зазначає, що ерозію можна повідомляти як масу, об’єм або глибину проникнення за одиницю часу або за одиницю переданої ультразвукової енергії, залежно від обраного протоколу.

Середні глибини ерозії як функція налаштованих параметрів якості покриття n. Відпал порошку, а отже, знижена міцність порошку, дозволяє досягати високої якості покриття. Вставки показують пошкодження поверхні, отримані після часу кавітаційного випробування 100min.
Графіки та дослідження: ©Hauer et al., 2021.

Одним із важливих уроків дослідження Hauer є те, що ранні швидкості ерозії можуть бути оманливими. Термічно та кінетично наплавлені покриття часто демонстрували високу початкову втрату матеріалу, за якою слідувала нижча, більш стабільна швидкість ерозії. З цієї причини Hauer et al. використовували кінцеву швидкість ерозії як більш репрезентативний індикатор довгострокової ефективності покриття. У своєму порівнянні протягом 120 хвилин кінцева швидкість ерозії оцінювалася переважно з другої половини випробування, після 60 хвилин, щоб краще зафіксувати стабілізовану поведінку.

Результати випробувань показують, чому контрольований вібраційний кавітаційний апарат є цінним. Литий нікель-алюмінієвий бронзовий сплав досяг кінцевої швидкості ерозії приблизно 0,40 µm/h. Оптимізоване бронзове покриття, нанесене методом теплого наплавляння, досягло 0,57 µm/h, що близько до литого референсу. Оптимізоване дугове наплавляння на корабельну сталь досягло приблизно 1,02 µm/h, тоді як оптимізоване покриття HVOF досягло приблизно 1,74 µm/h. Навіть коли ці покриття не повністю відповідали литій пропелерній бронзі, вони значно перевищили корабельну сталь; дослідження повідомляє, що дугове наплавляння та наплавляння HVOF досягли приблизно 26 разів і 16 разів кращої кавітаційної стійкості відповідно, ніж сталь VL-A.

Використовуйте ультразвуковий обробник як вібраційний апарат для ваших випробувань на кавітаційну ерозію

Практичний висновок полягає в тому, що випробування на кавітаційну ерозію з ультразвуковим обробником UIP1000hdT як вібраційним апаратом може робити більше, ніж просто ранжувати матеріали. Воно виявляє, як процес нанесення покриття, мікроструктура, вміст оксидів, пористість, зчеплення на межі розділу та постобробка впливають на реальну поведінку ерозії. Hauer et al. дійшли висновку, що HVOF та дугове наплавляння можуть запропонувати сильний компроміс між ефективністю та вартістю для покращення поверхонь сталевих керм, тоді як холодне та тепле наплавляння є переважними, коли потрібна кавітаційна стійкість, близька до об’ємного нікель-алюмінієвого бронзового сплаву.

Для лабораторій та розробників покриттів ключем до відтворюваних результатів є суворий контроль параметрів випробування: амплітуда сонотрода, частота, відстань від сонотрода до зразка, температура рідини, хімічний склад рідини, підготовка зразків, інтервали зважування та розрахунок швидкості ерозії. За визначених умов Hielscher UIP1000hdT забезпечує практичний та відтворюваний спосіб перетворення ультразвукової кавітації на кількісні дані про ефективність покриття.

Робочий лист для випробувань на кавітаційну ерозію

 
Інструкції для випробувань на кавітаційну ерозію можна знайти тут!

Установка для випробування на кавітаційну ерозію ASTM G32

Соникатори UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT та UIP2000hdT підходять для випробувань за ASTM G32. Ми можемо поставити кожен із цих приладів з точним протоколом вимірювання амплітуди механічної амплітуди на кінчику сонотрода. Ми рекомендуємо використовувати будь-який із цих приладів із сонотродом BS4d22 (діаметр 22mm) та штативом ST2.

Сонотрод ASTM G32 -16 15,9mm із змінним наконечником

Розробка, виробництво та консалтинг – Якість, зроблена в Німеччині

Ультразвукові гомогенізатори Hielscher відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність та простота експлуатації забезпечують плавну інтеграцію наших ультразвукових гомогенізаторів у промислові об’єкти. Грубі умови та складні середовища легко витримуються ультразвуковими гомогенізаторами Hielscher.

Hielscher Ultrasonics – це компанія, сертифікована за ISO, яка приділяє особливу увагу високоефективним ультразвуковим гомогенізаторам, що мають передові технології та зручність у використанні. Звичайно, ультразвукові гомогенізатори Hielscher відповідають вимогам CE та задовольняють вимоги UL, CSA та RoHs.

Література / Посилання

• 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.