超聲波氣蝕

當材料暴露於(yu) 空化流體(ti) 時，就會(hui) 發生空蝕。破裂的空化氣泡會(hui) 引起強烈的衝(chong) 擊波和微射流，進而引起高度局部化的表麵應力。 由於(yu) 反複的氣泡破裂而造成的這種載荷重複，會(hui) 導致局部表麵疲勞失效以及隨後材料的脫落或剝落。

下圖顯示了氣蝕的典型進程（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杆主動產(chan) 生的，以便觀察對過程的影響（例如，超聲波均勻化）。然而，這種空化會(hui) 逐漸去除喇叭表麵的材料。這會(hui) 導致一些問題。

• 隨著的縮短，係統的頻率會增加，直到電源無法再啟動工具頭為止。
• 當角麵因腐蝕而進入凹坑時，它會產生較少的氣蝕，從而影響工藝。
• 被腐蝕的材料可能汙染過程。

可以通過以下四種方法的組合來緩解這些問題：

• 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塗層。
• 提高工具頭的表麵光潔度。
• 使用帶可更換的工具頭。

用料

金屬製品

對於(yu) 涉及氣蝕的應用，鈦（通常為(wei) Ti-6Al-4V）通常是默認的諧振器材料。 它具有可接受的（但不是例外）的抗氣蝕性，並且對許多液體(ti) 也相對惰性； 也使用各種鋼。 （有關(guan) 各種材料的氣蝕數據，請參見附錄C）

彈性體

彈性體(ti) 不適合作為(wei) 諧振器材料。然而，它們(men) 可能有助於(yu) 防止超聲能量的傳(chuan) 輸或減少空化侵蝕(主要是表麵)。在相對低強度的空化作用下，這些材料可能“*沒有空化損傷(shang) ”。經過硫化的三元乙丙烯單體(ti) (EPDM)板材在20 kHz的50微米峰值振動下的耐腐蝕性是316L不鏽鋼的三倍。(注:未硫化的EPDM塗料性能不佳)

可更換的替帽

空化腐蝕後更換實心喇叭的成本很高。 取而代之的是，將可更換的替帽用於(yu) 端麵直徑小於(yu) Ø25mm的工具頭。

可更換替帽的工具頭

工具頭塗層

各種塗層已被用於(yu) 改善氣蝕（與(yu) 鈦相比作為(wei) 參考）。當工具頭端麵麵積太大或太小，無法使用可更換的替帽以及端麵形狀不規則時，這些塗層可應用於(yu) 工具頭端麵也可以用戶保護工具頭的基礎材料。塗層可根據其厚度分類：薄或厚。它們(men) 還可以根據韌性和脆性來分類。

薄塗層

如果由於(yu) 超聲振動引起的慣性力相對較低，則塗層可以認為(wei) 很薄。然後，粘附力不必很高。這些塗層包括鉻和氮化鈦。

硬鉻：與(yu) 316L不鏽鋼基體(ti) 金屬相比，硬度為(wei) 2密耳（0.05毫米）的鉻減少了10倍的氣蝕。將其歸因於(yu) 鉻的較高硬度（60 Rc對25 Rc），不鏽鋼的氣蝕在很大程度上取決(jue) 於(yu) 材料的晶粒尺寸。）

氮化鈦：由於(yu) 其硬度和良好的附著力，氮化鈦長期以來一直用於(yu) 減少氣蝕。但是，該過程不能任意應用。值得注意的是，將氮氣氣氛增加到13%左右(顯微硬度~550)，可以穩定地減少氣蝕。在這個(ge) 水平上，侵蝕率比原來的鈦低3倍。然而，氮和硬度的進一步增加並不能進一步減少汽蝕。

厚塗層

由於(yu) 它們(men) 的質量，厚塗層必須抵抗巨大的慣性力。然後，塗層和基材之間的附著力不足可能是一個(ge) 問題。如果此類塗層也很脆，則不能在大麵積（如清洗槽）上塗覆，因為(wei) 超聲波彎曲會(hui) 導致塗層開裂。

與空蝕有關的參數

在相對相似的材料組中，抗氣蝕性通常會(hui) 隨著機械性能的提高而提高，例如表麵硬度，拉伸強度，屈服強度，延展性，應變能等。但是，在不同類型的材料之間會(hui) 發生較大的異常，例如韌性金屬與(yu) 強脆金屬，金屬與(yu) 陶瓷，金屬與(yu) 彈性體(ti) 等。

硬度

硬度是與(yu) 抗氣蝕性相關(guan) 的主要材料性能。基礎材料的硬度可以整體(ti) （例如，通過硬化）或局部（例如，通過表麵硬化或噴丸處理）產(chan) 生。

噴丸

噴丸的321不鏽鋼（退火）和純鐵在蒸餾水和1％鹽水中進行了20 kHz的氣蝕測試。 噴丸處理將材料硬化至0.3毫米的深度，（之所以選擇321級不鏽鋼，部分原因是它對加工硬化反應良好）規定的振幅為(wei) 15μm（大概峰值），水溫為(wei) 50°C。（在圖B1中，“y”是試樣表麵以下的距離[mm]，垂直軸標記為(wei) “HV 0.02”）。

噴丸處理對321不鏽鋼（SS）和純鐵（Fe）的表麵硬度的影響

表麵光潔度

當材料初受到氣蝕作用時，可能存在一個(ge) 初始階段，在此階段與(yu) 隨後的階段相比，腐蝕速率可以忽略不計。 如果表麵高度拋光，則可以延長初始期時間。

晶粒大小

與(yu) 疲勞一樣，氣蝕也發生在微觀尺度上。因此，具有幾乎相同宏觀性能（例如抗拉強度）的兩(liang) 種材料對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，對於(yu) 不同的材料則沒有任何意義(yi) 。

各種材料的空蝕數據

提供以下信息以供參考。由於(yu) 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(men) 的輸出幅度卻受到內(nei) 部損耗（加熱）的限製。但是，可以通過減少局部超聲應力的優(you) 化輪廓來改善此加熱問題。在任何情況下，某些材料仍可能適合用作可更換的替帽或塗層。

測試環境

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）/（試樣表麵積）
5. 1密耳= 25.4微米

各種材料的氣蝕率

鈦

Ti-6Al-4V當以大振幅操作時，1 mm的超聲工具頭會(hui) 在1000小時內(nei) 被腐蝕。

不鏽鋼

在對水中十二種不鏽鋼進行的空化測試中，發現當鉻與(yu) 鎳的含量之比約為(wei) 1.8：1時，耐空蝕性就會(hui) 出現。