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超声波气蚀

发布时间:2020-11-24   点击次数:175次

当材料暴露于空化流体时,就会发生空蚀。破裂的空化气泡会引起强烈的冲击波和微射流,进而引起高度局部化的表面应力。 由于反复的气泡破裂而造成的这种载荷重复,会导致局部表面疲劳失效以及随后材料的脱落或剥落。

下图显示了气蚀的典型进程(25 kHz,44.5微米,24°C水)

270镍的气蚀270镍的气蚀

在超声中,空化通常是由超声变幅杆主动产生的,以便观察对过程的影响(例如,超声波均匀化)。然而,这种空化会逐渐去除喇叭表面的材料。这会导致一些问题。

  • 随着的缩短,系统的频率会增加,直到电源无法再启动工具头为止。
  • 当角面因腐蚀而进入凹坑时,它会产生较少的气蚀,从而影响工艺。
  • 被腐蚀的材料可能污染过程。

可以通过以下四种方法的组合来缓解这些问题:

  • 使用具有较高抗气蚀性的工具头的材料。
  • 使用具有较高抗气蚀性的涂层。
  • 提高工具头的表面光洁度。
  • 使用带可更换的工具头。

用料

金属制品

对于涉及气蚀的应用,钛(通常为Ti-6Al-4V)通常是默认的谐振器材料。 它具有可接受的(但不是例外)的抗气蚀性,并且对许多液体也相对惰性; 也使用各种钢。 (有关各种材料的气蚀数据,请参见附录C)

弹性体

弹性体不适合作为谐振器材料。然而,它们可能有助于防止超声能量的传输或减少空化侵蚀(主要是表面)。在相对低强度的空化作用下,这些材料可能“完全没有空化损伤”。经过硫化的三元乙丙烯单体(EPDM)板材在20 kHz的50微米峰值振动下的耐腐蚀性是316L不锈钢的三倍。(注:未硫化的EPDM涂料性能不佳)

可更换的替帽

空化腐蚀后更换实心喇叭的成本很高。 取而代之的是,将可更换的替帽用于端面直径小于Ø25mm的工具头。

可更换替帽的工具头可更换替帽的工具头

工具头涂层

各种涂层已被用于改善气蚀(与钛相比作为参考)。当工具头端面面积太大或太小,无法使用可更换的替帽以及端面形状不规则时,这些涂层可应用于工具头端面也可以用户保护工具头的基础材料。涂层可根据其厚度分类:薄或厚。它们还可以根据韧性和脆性来分类。

薄涂层

如果由于超声振动引起的惯性力相对较低,则涂层可以认为很薄。然后,粘附力不必很高。这些涂层包括铬和氮化钛。

硬铬:与316L不锈钢基体金属相比,硬度为2密耳(0.05毫米)的铬减少了10倍的气蚀。将其归因于铬的较高硬度(60 Rc对25 Rc),不锈钢的气蚀在很大程度上取决于材料的晶粒尺寸。)

氮化钛:由于其硬度和良好的附着力,氮化钛长期以来一直用于减少气蚀。但是,该过程不能任意应用。值得注意的是,将氮气气氛增加到13%左右(显微硬度~550),可以稳定地减少气蚀。在这个水平上,侵蚀率比原来的钛低3倍。然而,氮和硬度的进一步增加并不能进一步减少汽蚀。

厚涂层

由于它们的质量,厚涂层必须抵抗巨大的惯性力。然后,涂层和基材之间的附着力不足可能是一个问题。如果此类涂层也很脆,则不能在大面积(如清洗槽)上涂覆,因为超声波弯曲会导致涂层开裂。

与空蚀有关的参数

在相对相似的材料组中,抗气蚀性通常会随着机械性能的提高而提高,例如表面硬度,拉伸强度,屈服强度,延展性,应变能等。但是,在不同类型的材料之间会发生较大的异常,例如韧性金属与强脆金属,金属与陶瓷,金属与弹性体等。

硬度

硬度是与抗气蚀性相关的主要材料性能。基础材料的硬度可以整体(例如,通过硬化)或局部(例如,通过表面硬化或喷丸处理)产生。

喷丸

喷丸的321不锈钢(退火)和纯铁在蒸馏水和1%盐水中进行了20 kHz的气蚀测试。 喷丸处理将材料硬化至0.3毫米的深度,(之所以选择321级不锈钢,部分原因是它对加工硬化反应良好)规定的振幅为15μm(大概峰值),水温为50°C。(在图B1中,“y”是试样表面以下的距离[mm],垂直轴标记为“HV 0.02”)。

 喷丸处理对321不锈钢(SS)和纯铁(Fe)的表面硬度的影响喷丸处理对321不锈钢(SS)和纯铁(Fe)的表面硬度的影响

表面光洁度

当材料初受到气蚀作用时,可能存在一个初始阶段,在此阶段与随后的阶段相比,腐蚀速率可以忽略不计。 如果表面高度抛光,则可以延长初始期时间。

晶粒大小

与疲劳一样,气蚀也发生在微观尺度上。因此,具有几乎相同宏观性能(例如抗拉强度)的两种材料对气蚀的抵抗力可能有显著不同。同一种材料随着粒径的减小他的抗气蚀性增加,对于不同的材料则没有任何意义。

各种材料的空蚀数据

提供以下信息以供参考。由于损耗,疲劳,成本和材料的可用性,许多列出的材料可能不适合用作超声工具头。例如,尽管许多钢的腐蚀速率比钛低,但它们的输出幅度却受到内部损耗(加热)的限制。但是,可以通过减少局部超声应力的优化轮廓来改善此加热问题。在任何情况下,某些材料仍可能适合用作可更换的替帽或涂层。

测试环境

  1. 空化流体是室温水。
  2. 振幅峰峰值为50微米。
  3. 直径为13.9毫米。
  4. MDP =平均渗透深度[密耳] =(体积损失)/(试样表面积)
  5. 1密耳= 25.4微米

各种材料的气蚀率

测试材料MDP平均速率(Mils/ h)
T-222 Tantalum alloy, annealed0.02
T-111 Tantalum alloy0.06
Mo-½Ti0.09
316 SS0.09
304 SS0.10
Cb-1Zr0.15
Cb-1Zr, annealed0.18
Carbon steel (mild)0.23
Cu-Zn, cold-worked0.38
Ni, cold-worked0.44
Cu-Ni, 1800°F anneal0.47
Ni, 1600°F anneal0.48
2024-T351 Aluminum0.57
Ni, 1100°F anneal0.58
Cu-Ni, 1300°F anneal0.63
Cu-Zn, 1400°F anneal0.68
Cu-Ni, cold-worked0.70
Cu-Zn, 850°F anneal0.72
6061-T651 Aluminum0.72
Cu, cold-worked0.95
Cu, 1500°F anneal0.95
Cu, 900°F anneal1.02
Plexiglas1.39
1100-0 Aluminum2.70

Ti-6Al-4V当以大振幅操作时,1 mm的超声工具头会在1000小时内被腐蚀。

不锈钢

在对水中十二种不锈钢进行的空化测试中,发现当铬与镍的含量之约为1.8:1时,耐空蚀性就会出现。

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