Modellbildung und Entwicklung experimenteller Methoden zur Vorhersage des Auftretens von Kavitationserosion bei metallischen Werkstoffen

Kurzfassung Kollabierende Kavitationsblasen emittieren Stoßwellen, welche zunächst lokale plastische Verformungen (≙ Pits) einer metallischen Werkstoffoberfläche verursachen und schließlich deren Erosion herbeiführen. Bisher existiert keine Methode zur verlässlichen Bestimmung jener hochdynamischen Druckstoßereignisse, so dass das erosive Potential von kavitierenden Strömungen noch nicht vollständig verstanden ist. Erstmals erfolgt im Rahmen dieser Arbeit eine Quantifizierung der vorherrschenden Kavitationsbelastung durch die Verwendung von laserinduzierten Stoßwellen, wie sie vom Laser-Schockhärten (engl. laser shock peening) bekannt sind. Hierbei werden in den durchgeführten experimentellen Untersuchungen 15 verschiedene metallische Werkstoffe bzw. Wärmebehandlungszustände betrachtet. Mit Laserstoßwellenversuchen ergeben sich die Druck-Schwellenwerte für plastische Verformung unter Stoßbelastung sowie Zusammenhänge zwischen Pitgeometrien und verursachenden Belastungsereignissen. Basierend auf diesen Erkenntnissen gelingt es, über in Kavitations-Kurzzeitversuchen induzierte Pits, die betriebspunktspezifischen Kavitationsintensitäten eines Strahlkavitationsprüfstands abzuleiten. In Kavitations-Langzeitversuchen auf einem Strahlkavitations- und einem Schwingungskavitationsprüfstand erfolgt die Bestimmung der intensitätsabhängigen Belastungsdauern bis zum beginnenden Werkstoffversagen sowie begleitend eine systematische Analyse der Schädigungsentwicklung. Ein energetischer Modellansatz setzt die erkannten Eingangsgrößen in Beziehung. Letztlich resultiert aus der Kombination von relevanter Kavitationsintensität und der gemessenen Versagensdauer ein materialspezifischer Wert für die Vorhersage der Kavitationserosion. Abstract Collapsing cavitation bubbles emit shock waves, which initially result in local plastic deformations (≙ pits) of a metallic material surface and ultimately in its erosion. So far, none of the existing methods reliably measures these highly transient pressure shocks and hence the erosive potential of cavitating flows is not fully understood. For the first time, this work quantitatively assesses cavitation loading by the usage of laser-induced shock waves, as they are known from laser shock peening. In doing so, 15 different metallic materials or heat treatment conditions are considered within the conducted experimental investigations. Laser shock wave tests reveal the pressure threshold values for plastic deformation under shock loading as well as correlations between pit geometries and causing load events. Based on these findings, it succeeds to derive the operating-point-specific cavitation intensity of a cavitating jet apparatus from pits induced during cavitation short-term tests. In cavitation long-term tests on both a cavitating jet and a vibratory apparatus the intensity-dependent loading durations until incipient material failure are determined and, in addition, the damage evolution is systematically analyzed. An energetic modeling approach correlates the identified input values. Finally, the combined consideration of relevant cavitation intensity and measured failure time yields a material-specific value for cavitation erosion prediction.