Kavitationserosion durch einzelne laserproduzierte Blasen

Um den Mechanismus der Kavitationserosion zu verdeutlichen, werden die Dynamik einer einzelnen lasererzeugten Kavitationsblase in Wasser und der resultierende Oberflächenschaden an einem flachen Metallprüfkörper im Detail untersucht. Die charakteristischen Effekte der Blasendynamik, insbesondere die Bildung eines Hochgeschwindigkeitswasserstrahls und die Emission von Schockwellen im Moment des Kollapses, werden mit Hochgeschwindigkeitsfotografie mit Bildraten von bis zu einer Million Bildern/s aufgezeichnet. Schäden werden beobachtet, wenn die Blase in einem Abstand von weniger als der doppelten maximalen Radiusdistanz von einer festen Grenze erzeugt wird (γ=2, wobei γ=s/R max, s der Abstand zwischen der Grenze und dem Blasenmittelpunkt im Moment der Bildung ist und R max der maximale Blasenradius ist). Der Einfluss des Jets trägt nur bei kleinen Anfangsdistanzen zum Schaden bei (γ<0.7). In diesem Bereich steigt die Aufprallgeschwindigkeit auf 83 m/s, was einem Wasserhammerdruck von etwa 0.1 GPa entspricht, während bei γ>1 die Aufprallgeschwindigkeit kleiner als 25 m/s ist. Die größte erosive Kraft wird durch den Kollaps einer Blase in direktem Kontakt mit der Grenze verursacht, wobei Drücke von bis zu mehreren GPa auf der Materialoberfläche wirken. Daher ist es entscheidend für die schädigende Wirkung, dass Blasen während der Kollapsphasen aufgrund von Bjerkneskräften in Richtung der Grenze beschleunigt werden. Die Blase berührt die Grenze im Moment des zweiten Kollapses, wenn γ<2, und im Moment des ersten Kollapses, wenn γ<1. Eindellungen auf einem Aluminiumprüfkörper werden an den Kontaktstellen der kollabierenden Blase gefunden. Im Bereich von γ=1.7 bis 2, wo die Blase hauptsächlich bis zu einem einzelnen Punkt kollabiert, wird ein Loch unterhalb des Blasenmittelpunkts beobachtet. Bei γ<1.7 hat die Blasenform eine toroidale Form angenommen, die durch den Jetfluss durch das Blasenmittel erzeugt wird. In Übereinstimmung mit dem Zerfall dieses Blasentorus in mehrere winzige Blasen, die separat entlang des Umfangs des Torus kollabieren, ist der beobachtete Schaden ebenfalls kreisförmig. Blasen im Bereich von γ<0.3 und γ=1.2 bis 1.4 verursachten den größten Schaden. Der Gesamtdurchmesser des beschädigten Bereichs steht im Verhältnis zum maximalen Blasenradius. Aufgrund der Möglichkeit, Tausende nahezu identischer Blasen zu erzeugen, kann die Kavitationse resistance selbst harter Stahlprüfkörper getestet werden.