Thử nghiệm thực tiễn về xói mòn do xâm thực đối với lớp phủ đồng thanh dùng trong hàng hải

Thử nghiệm xói mòn do xâm thực hữu ích nhất khi liên hệ được điều kiện phơi nhiễm có kiểm soát trong phòng thí nghiệm với một vấn đề kỹ thuật thực tế. Một ví dụ thực tiễn là đánh giá các lớp phủ đồng thanh chống xâm thực cho các bộ phận hàng hải như bánh lái và chân vịt tàu thủy. Các bộ phận này hoạt động trong những vùng mà dao động áp suất cục bộ có thể tạo ra các bọt hơi sụp đổ gần bề mặt, gây ra các tải trọng va đập cường độ cao lặp đi lặp lại. Theo thời gian, quá trình này gây rỗ bề mặt, hư hỏng do mỏi, hỏng lớp phủ và hao hụt vật liệu.

Thử nghiệm xói mòn do xâm thực đối với lớp phủ đồng thanh

Trong nghiên cứu của Hauer và cộng sự, các lớp phủ đồng thanh được tạo ra bằng phun nguội, phun ấm, phun HVOF và phun hồ quang đã được so sánh với đồng thanh nhôm niken đúc và thép đóng tàu. Câu hỏi trọng tâm rất đơn giản: quy trình phủ nào có thể tạo ra bề mặt đồng thanh chịu được tác động của xâm thực đủ lâu để sử dụng trong hàng hải? Để trả lời câu hỏi này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phép thử xói mòn do xâm thực dựa trên ASTM G32-16 với thiết bị rung, trong đó hệ thống rung siêu âm Hielscher UIP1000hdT được dùng làm hệ thống thử nghiệm.

Kiểm soát chính xác các điều kiện thử nghiệm và ghi dữ liệu tự động

Máy siêu âm UIP1000hdT rất phù hợp với loại thử nghiệm này vì cung cấp siêu âm cường độ cao, tần số thấp trong dải được sử dụng cho thử nghiệm xói mòn do xâm thực. Hệ thống thử nghiệm xói mòn do xâm thực sử dụng máy siêu âm công suất 1000 oát hoạt động ở 20 kHz và cho phép giám sát chính xác quá trình, điều khiển biên độ, đo nhiệt độ và tự động ghi lại dữ liệu thử nghiệm. Các chức năng này rất quan trọng vì cường độ xâm thực phụ thuộc mạnh vào biên độ, nhiệt độ chất lỏng, áp suất chất lỏng, hình dạng đầu dò siêu âm và khoảng cách giữa đầu dò siêu âm với mẫu thử.

(a) Thử nghiệm xói mòn do xâm thực theo ASTM G32-16 bằng máy siêu âm UIP1000hd (phương pháp gián tiếp). Tất cả các thông số thử nghiệm đều là giá trị danh định; các dung sai được liệt kê trong tiêu chuẩn.
(b) Sơ đồ các giai đoạn trên đường cong xói mòn theo thời gian và các thông số đặc trưng trong quy trình thử nghiệm.
Đồ họa và nghiên cứu: ©Hauer et al., 2021.

Thử nghiệm xói mòn do xâm thực bằng siêu âm đối với lớp phủ đồng thanh

Trong ví dụ về lớp phủ đồng thanh dùng trong hàng hải, phép thử được thực hiện theo bố trí gián tiếp của ASTM G32. Trong cấu hình này, mẫu thử không được gắn vào đầu rung. Thay vào đó, đầu dò siêu âm tạo ra xâm thực trong nước cất, còn mẫu thử có lớp phủ được cố định bên dưới đầu dò siêu âm với một khe hở xác định. Hauer và cộng sự sử dụng khoảng cách 0,5 mm giữa mẫu và đầu dò siêu âm, tần số 20 kHz và biên độ đỉnh–đỉnh 50 µm. Chất lỏng thử nghiệm là nước cất, được duy trì ở nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ phòng, khoảng 25 °C.

Chuẩn bị mẫu thử là một bước then chốt. Trước khi chịu tác động của xâm thực, các bề mặt có lớp phủ được mài và đánh bóng từng bước, đến bước dùng chất mài kim cương mịn có kích thước hạt dưới 4 µm. Điều này làm giảm ảnh hưởng của các hạt bám lỏng lẻo hoặc những chỗ không đồng đều trên bề mặt vốn có thể bong ra ngay lập tức và làm sai lệch đường cong xói mòn. Mục tiêu không phải là làm cho lớp phủ trông đẹp, mà là tạo ra điều kiện ban đầu có thể tái lập để lượng hao hụt khối lượng đo được phản ánh khả năng chống xâm thực thay vì việc chuẩn bị bề mặt kém.

Quy trình thử nghiệm xói mòn do xâm thực bằng siêu âm và kết quả

Quy trình thử nghiệm thực tế khá đơn giản. Trước tiên, mỗi mẫu thử được làm sạch, sấy khô và cân trên cân chính xác. Sau đó, mẫu được lắp trong buồng thử bên dưới đầu dò siêu âm BS4d22 của máy siêu âm UIP1000hdT, với khe hở 0,5 mm được thiết lập cẩn thận và có khả năng lặp lại. Máy siêu âm được vận hành ở biên độ và tần số đã xác định, đồng thời nhiệt độ chất lỏng được kiểm soát để ngăn sự gia nhiệt làm thay đổi cường độ xâm thực. Sau một khoảng thời gian phơi nhiễm xác định, mẫu thử được lấy ra, làm sạch, sấy khô và cân lại. Trình tự này được lặp lại với các khoảng thời gian phơi nhiễm tăng dần, tùy thuộc vào vật liệu, cho đến khi thu được đường cong xói mòn hoàn chỉnh.
Đại lượng đo ban đầu là lượng mất khối lượng. Để so sánh về mặt kỹ thuật, lượng mất khối lượng này được chuyển đổi thành lượng mất thể tích bằng cách sử dụng khối lượng riêng của vật liệu. Sau đó, lượng mất thể tích được chia cho diện tích bề mặt chịu phơi nhiễm để xác định độ sâu xói mòn trung bình. Từ đường cong độ sâu xói mòn, nhà nghiên cứu có thể tính toán các thông số xói mòn đặc trưng như tốc độ xói mòn cực đại, tốc độ xói mòn giai đoạn cuối và độ sâu xói mòn trung bình. Hielscher cũng lưu ý rằng mức xói mòn có thể được báo cáo dưới dạng khối lượng, thể tích hoặc độ sâu xâm nhập trên một đơn vị thời gian hoặc trên một đơn vị năng lượng siêu âm được truyền vào, tùy thuộc vào quy trình được chọn.

Độ sâu xói mòn trung bình theo các thông số chất lượng lớp phủ n đã điều chỉnh. Việc ủ bột, qua đó làm giảm độ bền của bột, cho phép đạt được chất lượng lớp phủ cao. Các hình nhỏ lồng trong đồ thị cho thấy hư hại bề mặt sau thời gian thử nghiệm xâm thực 100min.
Đồ thị và nghiên cứu: ©Hauer et al., 2021.

Một bài học quan trọng từ nghiên cứu của Hauer là tốc độ xói mòn ban đầu có thể gây hiểu lầm. Các lớp phủ được phun bằng phương pháp nhiệt và động năng thường có lượng mất vật liệu ban đầu cao, sau đó tốc độ xói mòn giảm xuống và ổn định hơn. Vì lý do này, Hauer và cộng sự đã sử dụng tốc độ xói mòn giai đoạn cuối làm chỉ số có tính đại diện hơn cho hiệu năng lâu dài của lớp phủ. Trong phép so sánh kéo dài 120 phút của họ, tốc độ xói mòn giai đoạn cuối được đánh giá chủ yếu từ nửa sau của thử nghiệm, sau 60 phút, nhằm phản ánh tốt hơn đặc tính xói mòn đã ổn định.

Kết quả thử nghiệm cho thấy giá trị của thiết bị tạo xâm thực bằng dao động được kiểm soát. Đồng thanh nhôm niken đúc đạt tốc độ xói mòn giai đoạn cuối khoảng 0,40 µm/h. Đồng thanh phun ấm được tối ưu hóa đạt 0,57 µm/h, gần với mẫu đối chứng đúc. Lớp phủ phun hồ quang được tối ưu hóa trên thép đóng tàu đạt khoảng 1,02 µm/h, trong khi lớp phủ HVOF được tối ưu hóa đạt khoảng 1,74 µm/h. Ngay cả khi các lớp phủ này chưa hoàn toàn đạt được mức của đồng thanh đúc dùng cho chân vịt, chúng vẫn vượt trội rõ rệt so với thép đóng tàu; nghiên cứu báo cáo rằng các lớp phủ phun hồ quang và phun HVOF đạt khả năng chống xâm thực cao hơn lần lượt khoảng 26 lần và 16 lần so với thép VL-A.

Sử dụng máy siêu âm làm thiết bị dao động cho các thử nghiệm xói mòn do xâm thực của bạn

Kết luận thực tiễn là thử nghiệm xói mòn do xâm thực sử dụng máy siêu âm UIP1000hdT làm thiết bị dao động có thể mang lại nhiều thông tin hơn việc chỉ xếp hạng vật liệu. Phương pháp này cho thấy quy trình tạo lớp phủ, cấu trúc vi mô, hàm lượng oxit, độ xốp, liên kết tại bề mặt phân cách và xử lý sau phủ ảnh hưởng như thế nào đến đặc tính xói mòn thực tế. Hauer và cộng sự kết luận rằng phun HVOF và phun hồ quang có thể mang lại sự cân bằng tốt giữa hiệu năng và chi phí để cải thiện bề mặt bánh lái bằng thép, trong khi phun nguội và phun ấm được ưu tiên khi cần khả năng chống xâm thực gần với đồng thanh nhôm niken dạng khối.

Đối với các phòng thí nghiệm và đơn vị phát triển lớp phủ, yếu tố then chốt để thu được kết quả có khả năng tái lập là kiểm soát chặt chẽ các thông số thử nghiệm: biên độ đầu dò siêu âm, tần số, khoảng cách từ đầu dò siêu âm đến mẫu, nhiệt độ chất lỏng, thành phần hóa học của chất lỏng, chuẩn bị mẫu thử, các khoảng thời gian giữa những lần cân và cách tính tốc độ xói mòn. Khi các điều kiện này được xác định, Hielscher UIP1000hdT cung cấp một phương pháp thiết thực và có khả năng lặp lại để chuyển tác động xâm thực siêu âm thành dữ liệu định lượng về hiệu năng lớp phủ.

Biểu mẫu ghi chép mẫu cho thử nghiệm xói mòn do xâm thực

 
Bạn có thể tìm hướng dẫn thử nghiệm xói mòn do xâm thực tại đây!

Hệ thống thử nghiệm xói mòn do xâm thực theo ASTM G32

Các máy siêu âm UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT và UIP2000hdT phù hợp cho thử nghiệm theo ASTM G32. Chúng tôi có thể cung cấp từng thiết bị này kèm theo biên bản đo biên độ chính xác của biên độ cơ học tại đầu công tác siêu âm. Chúng tôi khuyến nghị sử dụng bất kỳ thiết bị nào trong số này với đầu công tác siêu âm BS4d22 (đường kính 22mm) và giá đỡ ST2.

Đầu công tác siêu âm 15,9mm có đầu mút thay thế được theo ASTM G32 -16

Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng sản xuất tại Đức

Máy siêu âm Hielscher nổi tiếng với các tiêu chuẩn chất lượng và thiết kế cao nhất. Độ bền vững và khả năng vận hành dễ dàng cho phép tích hợp thuận lợi các máy siêu âm của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Máy siêu âm Hielscher dễ dàng đáp ứng các điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi cao.

Hielscher Ultrasonics là công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt chú trọng đến các máy siêu âm hiệu năng cao với công nghệ tiên tiến nhất và tính thân thiện với người dùng. Tất nhiên, máy siêu âm Hielscher tuân thủ CE và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• 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.