超聲波氣蝕

當(dāng)材料暴露于空化流體時(shí)，就會(huì)發(fā)生空蝕。破裂的空化氣泡會(huì)引起強(qiáng)烈的沖擊波和微射流，進(jìn)而引起高度局部化的表面應(yīng)力。 由于反復(fù)的氣泡破裂而造成的這種載荷重復(fù)，會(huì)導(dǎo)致局部表面疲勞失效以及隨后材料的脫落或剝落。

下圖顯示了氣蝕的典型進(jìn)程（25 kHz，44.5微米，24°C水）

270鎳的氣蝕

在超聲中，空化通常是由超聲變幅桿主動(dòng)產(chǎn)生的，以便觀察對(duì)過(guò)程的影響（例如，超聲波均勻化）。然而，這種空化會(huì)逐漸去除喇叭表面的材料。這會(huì)導(dǎo)致一些問(wèn)題。

• 隨著的縮短，系統(tǒng)的頻率會(huì)增加，直到電源無(wú)法再啟動(dòng)工具頭為止。
• 當(dāng)角面因腐蝕而進(jìn)入凹坑時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生較少的氣蝕，從而影響工藝。
• 被腐蝕的材料可能污染過(guò)程。

可以通過(guò)以下四種方法的組合來(lái)緩解這些問(wèn)題：

• 使用具有較高抗氣蝕性的工具頭的材料。
• 使用具有較高抗氣蝕性的涂層。
• 提高工具頭的表面光潔度。
• 使用帶可更換的工具頭。

用料

金屬制品

對(duì)于涉及氣蝕的應(yīng)用，鈦（通常為Ti-6Al-4V）通常是默認(rèn)的諧振器材料。 它具有可接受的（但不是例外）的抗氣蝕性，并且對(duì)許多液體也相對(duì)惰性； 也使用各種鋼。 （有關(guān)各種材料的氣蝕數(shù)據(jù)，請(qǐng)參見(jiàn)附錄C）

彈性體

彈性體不適合作為諧振器材料。然而，它們可能有助于防止超聲能量的傳輸或減少空化侵蝕(主要是表面)。在相對(duì)低強(qiáng)度的空化作用下，這些材料可能“*沒(méi)有空化損傷”。經(jīng)過(guò)硫化的三元乙丙烯單體(EPDM)板材在20 kHz的50微米峰值振動(dòng)下的耐腐蝕性是316L不銹鋼的三倍。(注:未硫化的EPDM涂料性能不佳)

可更換的替帽

空化腐蝕后更換實(shí)心喇叭的成本很高。 取而代之的是，將可更換的替帽用于端面直徑小于Ø25mm的工具頭。

可更換替帽的工具頭

工具頭涂層

各種涂層已被用于改善氣蝕（與鈦相比作為參考）。當(dāng)工具頭端面面積太大或太小，無(wú)法使用可更換的替帽以及端面形狀不規(guī)則時(shí)，這些涂層可應(yīng)用于工具頭端面也可以用戶保護(hù)工具頭的基礎(chǔ)材料。涂層可根據(jù)其厚度分類：薄或厚。它們還可以根據(jù)韌性和脆性來(lái)分類。

薄涂層

如果由于超聲振動(dòng)引起的慣性力相對(duì)較低，則涂層可以認(rèn)為很薄。然后，粘附力不必很高。這些涂層包括鉻和氮化鈦。

硬鉻：與316L不銹鋼基體金屬相比，硬度為2密耳（0.05毫米）的鉻減少了10倍的氣蝕。將其歸因于鉻的較高硬度（60 Rc對(duì)25 Rc），不銹鋼的氣蝕在很大程度上取決于材料的晶粒尺寸。）

氮化鈦：由于其硬度和良好的附著力，氮化鈦長(zhǎng)期以來(lái)一直用于減少氣蝕。但是，該過(guò)程不能任意應(yīng)用。值得注意的是，將氮?dú)鈿夥赵黾拥?3%左右(顯微硬度~550)，可以穩(wěn)定地減少氣蝕。在這個(gè)水平上，侵蝕率比原來(lái)的鈦低3倍。然而，氮和硬度的進(jìn)一步增加并不能進(jìn)一步減少汽蝕。

厚涂層

由于它們的質(zhì)量，厚涂層必須抵抗巨大的慣性力。然后，涂層和基材之間的附著力不足可能是一個(gè)問(wèn)題。如果此類涂層也很脆，則不能在大面積（如清洗槽）上涂覆，因?yàn)槌暡◤澢鷷?huì)導(dǎo)致涂層開(kāi)裂。

與空蝕有關(guān)的參數(shù)

在相對(duì)相似的材料組中，抗氣蝕性通常會(huì)隨著機(jī)械性能的提高而提高，例如表面硬度，拉伸強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度，延展性，應(yīng)變能等。但是，在不同類型的材料之間會(huì)發(fā)生較大的異常，例如韌性金屬與強(qiáng)脆金屬，金屬與陶瓷，金屬與彈性體等。

硬度

硬度是與抗氣蝕性相關(guān)的主要材料性能。基礎(chǔ)材料的硬度可以整體（例如，通過(guò)硬化）或局部（例如，通過(guò)表面硬化或噴丸處理）產(chǎn)生。

噴丸

噴丸的321不銹鋼（退火）和純鐵在蒸餾水和1％鹽水中進(jìn)行了20 kHz的氣蝕測(cè)試。 噴丸處理將材料硬化至0.3毫米的深度，（之所以選擇321級(jí)不銹鋼，部分原因是它對(duì)加工硬化反應(yīng)良好）規(guī)定的振幅為15μm（大概峰值），水溫為50°C。（在圖B1中，“y”是試樣表面以下的距離[mm]，垂直軸標(biāo)記為“HV 0.02”）。

噴丸處理對(duì)321不銹鋼（SS）和純鐵（Fe）的表面硬度的影響

表面光潔度

當(dāng)材料初受到氣蝕作用時(shí)，可能存在一個(gè)初始階段，在此階段與隨后的階段相比，腐蝕速率可以忽略不計(jì)。 如果表面高度拋光，則可以延長(zhǎng)初始期時(shí)間。

晶粒大小

與疲勞一樣，氣蝕也發(fā)生在微觀尺度上。因此，具有幾乎相同宏觀性能（例如抗拉強(qiáng)度）的兩種材料對(duì)氣蝕的抵抗力可能有顯著不同。同一種材料隨著粒徑的減小他的抗氣蝕性增加，對(duì)于不同的材料則沒(méi)有任何意義。

各種材料的空蝕數(shù)據(jù)

提供以下信息以供參考。由于損耗，疲勞，成本和材料的可用性，許多列出的材料可能不適合用作超聲工具頭。例如，盡管許多鋼的腐蝕速率比鈦低，但它們的輸出幅度卻受到內(nèi)部損耗（加熱）的限制。但是，可以通過(guò)減少局部超聲應(yīng)力的優(yōu)化輪廓來(lái)改善此加熱問(wèn)題。在任何情況下，某些材料仍可能適合用作可更換的替帽或涂層。

測(cè)試環(huán)境

1. 空化流體是室溫水。
2. 振幅峰峰值為50微米。
3. 直徑為13.9毫米。
4. MDP =平均滲透深度[密耳] =（體積損失）/（試樣表面積）
5. 1密耳= 25.4微米

各種材料的氣蝕率

鈦

Ti-6Al-4V當(dāng)以大振幅操作時(shí)，1 mm的超聲工具頭會(huì)在1000小時(shí)內(nèi)被腐蝕。

不銹鋼

在對(duì)水中十二種不銹鋼進(jìn)行的空化測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鉻與鎳的含量之比約為1.8：1時(shí)，耐空蝕性就會(huì)出現(xiàn)。