Gemi pervane malzemesi kavitasyon erozyonu aşınma davranışı: Yüzey pürüzlülüğü (Ra) değişiminin Taguchi yöntemiyle analizi

Yıl 2025, Cilt: 40 Sayı: 2, 1221 - 1232

Sedat Can Tini , Adalet Zeren , Yasemin Yıldıran Avcu , Eray Abakay , Egemen Avcu

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1525114

Öz

Bu araştırmada, çalışma sırasında kavitasyon olayına maruz kalan gemi pervanelerinde tercih edilen Mangan Alüminyum Bronz (MAB-CU4) malzemesinin kavitasyon aşınması davranışında etkili olan farklı parametreler incelenmiştir. Çalışma, özellikle bu parametrelerin yüzey pürüzlülüğündeki (Ra) değişimi nasıl etkilediğine odaklanmıştır. Verileri analiz etmek için Taguchi deneysel tasarımı kullanılmıştır. Bu özel bağlamda, MAB-CU4 alaşımının kavitasyon erozyonu özellikleri mevcut literatürde yalnızca asgari düzeyde araştırılmıştır. Bu kapsamda çalışma, kavitasyon sayısı, hücum açısı ve mesafe gibi çeşitli parametreler dikkate alınarak yüzey pürüzlülüğü etkisinin ilk kapsamlı incelemesini temsil etmektedir. ASTM G134-95 standartlarında belirtilen özelliklere uygun olarak kavitasyon erozyonu deneyleri için yüksek basınçlı kavitasyon su jeti test cihazı tasarlanmış ve üretilmiştir. Deneyler, Taguchi deney tasarımı L9 ortogonal dik düzen kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sistemin tasarımı ve analizi; kavitasyon hücum açısı (30°, 60° ve 90°), nozul ile numune arasındaki mesafe (Soff=5, 10 ve 15 mm) ve kavitasyon sayısı (σ= 0,01, 0,008 ve 0,006) olmak üzere belirli parametreleri ve seviyeleri içermektedir. Sonuçlar analiz edildiğinde, MAB-CU4 alaşımı yüzey pürüzlülüğünün (Ra), 90°’ye kıyasla 30°’lik kavitasyon hücum açısında iki kattan daha fazla arttığı bulunmuştur. Yüzey pürüzlülüğündeki (Ra) bu değişimi etkileyen en önemli faktör, %42,57 değerine sahip olan kavitasyon sayısıdır. Ayrıca, elde edilen 3B optik profilometre ve SEM görüntüleri, kavitasyon erozyon parametrelerine dayalı hasar mekanizmalarındaki çeşitliliği göstermiştir.

Anahtar Kelimeler

Aşınma, denizcilik uygulamaları, bakır alaşımı, Taguchi methodu, kavitasyon su jeti.

Etik Beyan

Yazarlar, bu makalede bildirilen çalışmayı etkileyebilecek bilinen herhangi bir rekabet eden mali çıkar veya kişisel ilişkilerinin olmadığını beyan etmektedir.

Destekleyen Kurum

Kocaeli Üniversitesi

Proje Numarası

FDK-2022-2964

Teşekkür

Çalışmalarımızın ortaya çıkarılmasında sağladıkları mali destekler nedeniyle Kocaeli Üniversitesi Bilimsel Araştırmalar Projeleri Koordinasyon Birimine (Proje No:FDK-2022-2964) teşekkür ve şükranlarımızı sunarız.

Kaynakça

• 1. Sun, W., Chen, M., Wang, F., Enhancing cavitation erosion resistance of sputtered NiCrAlTi coatings with coherent nanoprecipitates, Materials Letters, 331, 133390, 2023.
• 2. Gao, G., Zhang, Z., Cavitation erosion mechanism of 2Cr13 stainless steel, Wear, 488, 204137, 2022.
• 3. Soyama, H., Cavitating jet: a review, Applied Sciences, 10 (20), 7280, 2020.
• 4. Paolantonio, M., & Hanke, S., Damage mechanisms in cavitation erosion of nitrogen-containing austenitic steels in 3.5% NaCl solution, Wear, 464, 203526, 2021.
• 5. Carlton, J., Marine Propellers and Propulsion (3rd ed.), Oxford: Butterworth-Heinemann, 2012.
• 6. Germanischer Lloyd Aktiengesellschaft. Rules for Classification and Construction, Materials and Welding, Hamburg, 2009.
• 7. Yusvika, M., Prabowo, A. R., Baek, S. J., Tjahjana, D. D. D. P., Achievements in observation and prediction of cavitation: Effect and damage on the ship propellers, Procedia Structural Integrity, 27, 109-116, 2020.
• 8. Soyama, H., Kumano, H., The fundamental threshold level-A new parameter for predicting cavitation erosion resistance, Journal of Testing and Evaluation, 30 (5), 421-431, 2002.
• 9. Annual Book of ASTM Standards, Standard Test Method for Erosion of Solid Materials by Cavitating Liquid Jet (G134-95), ABD, 2010.
• 10. Chi, P., Shilong, Z., Jianhong, F., Qinfeng, L., Yu, S., Hao, C., Yun, Y., Erosion experiments of shale using a cavitation jet, Ocean Engineering, 261, 112115, 2022.
• 11. Momma, T., Cavitation loading and erosion produced by a cavitating jet. Thesis for the degree of doctor of philosophy, University of Nottingham, Nottingham., 1991.
• 12. Soyama, H., Effect of nozzle geometry on a standard cavitation erosion test using a cavitating jet, Wear, 297 (1-2), 895-902, 2013.
• 13. Hattori, S., Takinami, M., Comparison of cavitation erosion rate with liquid impingement erosion rate, Wear, 269 (3-4), 310-316, 2010.
• 14. Xu, C., Zhao, X., Khoo, B. C., Numerical investigation of ventilated cavitating flow from high to low cavitation numbers, Ocean Engineering, 266, 112782, 2022.
• 15. Taguchi, G., Introduction to Quality Engineering, Tokyo: Asian Productivity, 97-132, 1990.
• 16. Lichtarowicz, A., Use of a simple cavitating nozzle for cavitation erosion testing and cutting, Nature Physical Science, 239 (91), 63-64, 1972.
• 17. Momma, T., Lichtarowicz, A., A study of pressures and erosion produced by collapsing cavitation, Wear, 186, 425-436, 1995.
• 18. Usta, O., Köksal, Ç. S., Korkut, E., A systematic study into the cavitation erosion test for marine propeller materials by cavitating jet technique, Ocean Engineering, 284, 115252, 2023.
• 19. Zhuang, D. D., Zhang, S. H., Liu, H. X., Chen, J, Cavitation erosion behaviors and damage mechanism of Ti-Ni alloy impacted by water jet with different standoff distances, Engineering Failure Analysis, 139, 106458, 2022.
• 20. Imrek B., Oral A., Experimental investigation of flank wear in variable feed turning of cold work tool steel DIN 1.2379, optimization of variable feed levels, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 38 (1), 409-419, 2023.
• 21. Gülcan O., Simsek U., Özdemir M., Günaydın K., Tekoğlu E., The effect of build parameters on distortion, dimensional deviation and surface roughness of laser powder bed fusion built lattice structures, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 39 (1), 101-112, 2023.
• 22. Yurdakul M., Güneş S., İç Y.T., Improvement of the surface quality in the honing process using Taguchi method, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 31 (2), 347-360, 2016.
• 23. Sahoo, P., Wear behaviour of electroless Ni–P coatings and optimization of process parameters using Taguchi method, Materials & Design, 30 (4), 1341-1349, 2009.
• 24. Aslantas, K., Ekici, E., Cicek, Optimization of process parameters for micro milling of Ti-6Al-4V alloy using Taguchi-based gray relational analysis, Measurement, 128, 419-427, 2018.
• 25. Kalyon, A., Özcan, M. T., Cicek, Experimental ınvestigation of the machinability of caldie cold work tool steel, Acta Physica Polonica, A., 135, 2019.
• 26. Hutli, E., Nedeljkovic, M. S., Bonyár, A., Légrády, D., Experimental study on the ınfluence of geometrical parameters on the cavitation erosion characteristics of high speed submerged jets, Experimental Thermal and Fluid Science, 80, 281-292, 2017.
• 27. Kazama, T., Kumagai, K., Osafune, Y., Narita, Y., Ryu, S., Erosion of grooved surfaces by cavitating jet with hydraulic oil, Journal of Flow Control Measurement & Visualization, 3 (02), 41-50, 2015.
• 28. Patellaa, R., Reboud, J. L., Archer, A., Narita, Y., Ryu, S., Erosion Cavitation damage measurement by 3d laser profilometry, Wear, 246 (1-2), 59-67, 2000.
• 29. Gonzalez-Avila, S. R., Nguyen, D. M., Arunachalam, S., Domingues, E. M., Mishra, H., Ohl, C. D., Mitigating cavitation erosion using biomimetic gas-entrapping microtextured surfaces (GEMS), Science Advances, 6 (13), 1-10, 2020.
• 30. Zhang, S., Qian, Z., Ji, B., Estimation of cavitation erosion area in unsteady cavitating flows using a modified approach, Ocean Engineering, 262, 112229, 2022.
• 31. Chen, H. S., Wang, J. D., Li, Y. J., Chen, D. R., Effect of hydrodynamic pressures near solid surfaces in the ıncubation stage of cavitation erosion, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 222 (4), 523-531, 2008.
• 32. Soyama, H., Nagasaka, K., Takakuwa, O., Naito, A., Optimum ınjection pressure of a cavitating jet for ıntroducing compressive residual stress into stainless steel, Journal of Power and Energy Systems, 6 (2), 63-75, 2012.
• 33. Peng, C., Tian, S., Li, G., Joint experiments of cavitation jet: high-speed visualization and erosion test, Ocean Engineering, 149, 1-13, 2018.