Teknologi Air Jet Kavitasi Baru

Teknologi air jet kavitasi baru untuk meningkatkan jumlah dan ukuran gelembung kavitasi dan pengaruhnya pada permukaan Al murni

Universitas Sains Tokyo, Yamaguchi, 1-1-1 Daigaku-Dori, Sanyo- Onoda, Yamaguchi 756-0884, Jepang

articleinfo

abstrak

Saat ini, berbagai elemen paduan ditambahkan ke Al untuk memperkuatnya, yang mempersulit proses daur ulang di akhir masa pakai produk. Dalam studi ini, kami fokus pada air jet cavitation (WJC) sebagai sarana untuk mengeraskan Al murni. Ketika perawatan ini dilakukan, efek peening dapat meningkatkan kekerasan dekat permukaan dan menerapkan tegangan sisa kompresi, sehingga meningkatkan kekuatan kelelahan. Namun, pengolahan WJC membutuhkan tekanan air yang tinggi, yang pada umumnya berarti penggunaan pompa besar dan mahal. Dalam penelitian ini, kami mengembangkan nosel tambahan yang meningkatkan jumlah dan ukuran gelembung kavitas dalam buangan dari nosel jet air. Selain itu, kami mengevaluasi efek waktu pemrosesan WJC yang lebih lama pada permukaan Al murni. Nosel WJC konvensional menghasilkan gelembung udara yang membentuk erosi di pusat jet. Ketika pengolahan WJC dilakukan dengan nosel aliran berputar baru, peningkatan kavitasi melemahkan pengaruh gelembung pembentuk erosi. Dalam pemrosesan titik tetap Al murni dengan nosel baru, permukaan spesimen mengalami berbagai proses erosi kavitasi yang membentuk struktur mirip spons, struktur berlapis di sekitarnya, dan partikel yang terlepas. Ketika waktu pemrosesan ditingkatkan, area yang terkena diperpanjang dan memiliki lebih banyak tampilan peen. © 2018 Penulis. Layanan Penerbitan yang disediakan oleh Elsevier BV atas nama KeAi. Ini adalah artikel akses terbuka di bawah lisensi CC BY-NC-ND (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

Pendahuluan

Al dan Al paduan memiliki sifat fisik dan kimia yang sangat baik, dan mereka memiliki banyak aplikasi, dari barang-barang rumah tangga hingga pesawat terbang dan mobil. Untuk menanggapi permintaan yang meningkat untuk aplikasi baru, sifat-sifat Al telah ditingkatkan dengan paduan dengan berbagai elemen. Dengan demikian, variasi Al saat ini sangat besar, unsur-unsur yang ditambahkan ke Al juga rumit, dan proses daur ulang sulit [1]. Jika sifat mekanik Al murni dapat ditingkatkan tanpa perlu membentuk Al paduan, daur ulang akan disederhanakan. Dalam beberapa tahun terakhir, berbagai metode telah dipelajari secara ekstensif untuk meningkatkan sifat mekanik tanpa menambahkan elemen paduan.

Teknologi jet air adalah jenis metode kerja dingin, dan telah digunakan di banyak bidang, termasuk teknik sipil, arsitektur, dan mesin. Dalam teknik ini, air dibuang dari nozel yang direndam dalam air, dan telah digunakan untuk mempelajari aliran air jet dan mengembangkan aplikasi baru.

Metode pengolahan air jet yang tersedia termasuk kalkun air jet (WJC) [2e5], cavitation multifungsi [3,4,6 e9], dan jet kaval di udara [10e12]. Di sini, kami fokus pada teknologi WJC, di mana permukaan benda kerja diproses menggunakan jet kavitasi berkecepatan tinggi di tangki berisi air. Tekanan impak yang dihasilkan sedikit merusak lapisan permukaan material secara plastis dan menghasilkan efek peening yang meningkatkan kekerasan dekat permukaan dan menerapkan tegangan sisa tekan dengan menginduksi gaya penahan antara lapisan bawah dan permukaan. Efek keseluruhannya adalah meningkatkan kekuatan kelelahan [5,13,14]. Untuk alasan itu, jika pengobatan WJC diterapkan pada produk industri yang terbuat dari Al atau paduan Al, adalah mungkin untuk meningkatkan kekerasan di dekat permukaan, memperpanjang umur logam saat menggunakan elemen paduan yang tidak atau lebih sedikit, dan meningkatkan daya daur ulangnya. .

Namun, WJC umumnya membutuhkan tekanan tinggi, dan permukaan spesimen sulit diproses jika tekanan air yang dikeluarkan dari nosel terlalu rendah. Dengan demikian, teknologi WJC umumnya membutuhkan pompa besar yang memiliki tekanan debit tinggi untuk meningkatkan proses, yang tidak menguntungkan dari sudut pandang ukuran aparatus, biaya peralatan, dan kebisingan. Oleh karena itu, perlu

Dalam penelitian ini, kami mengembangkan nosel tambahan yang meningkatkan jumlah dan ukuran gelembung kavitasi dalam pembuangan dari nozzle jet air (nozzle WJ). Selain itu, efek WJC pada permukaan Al murni diproses untuk waktu yang lama diselidiki.

Bahan dan metode 

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah Al murni yang dibuat oleh Nippon Light Metal Co., Ltd., komposisi kimia yang ditunjukkan pada Tabel

1. Sampel Al dipotong menjadi spesimen persegi dengan dimensi 60 Â 60 Â10 mm. Untuk menghilangkan kekasaran permukaan dan meningkatkan kemampuan kerja, permukaan spesimen digiling dengan rata untuk kekasaran rata-rata (Ra) 0,193 μm.

Gambar 1 adalah diagram skematik peralatan yang digunakan untuk pemrosesan WJC. Pengaturan ini mirip dengan aparatus WJC konvensional, dengan nosel tetap dalam air pada suhu kamar dan air dipompa pada tekanan buangan sebesar 35 MPa. Diameter nozzle adalah 0,8 mm, dan jarak antara nozzle dan spesimen adalah 65 mm. Alat pengukur tekanan terpasang ke nozel WJ di lubang masuk. Pengolahan dilakukan dalam tangki stainless-steel berukuran 60 Â45 Â37 cm untuk jangka waktu 2 menit, 10 menit, 20 menit, dan 30 menit. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 2, nosel aliran berputar (SFN) dipasang di ujung nozzle WJ. Gambar 2 (a) adalah foto nozzle yang digunakan dalam percobaan, Gambar. 2 (b) menunjukkan mekanisme operasi SFN, dan Gambar. 2 (c) menunjukkan pandangan depan dari nosel SFN. SFN menggunakan pada saluran inflow offset untuk menanamkan gerakan berputar ke gelembung udara yang ditiup keluar dari WJC, yang meningkatkan jumlah dan ukuran gelembung kavitasi dalam buangan dari nozel WJ.

Hasil dan diskusi

Mekanisme untuk meningkatkan jumlah dan ukuran gelembung kavitasi

Bagian ini memberikan penjelasan eksperimental dan teoritis tentang bagaimana SFN yang melekat pada nozel WJ menghasilkan gelembung kavitasi tekanan tinggi. Kami mengukur tekanan statis pada saluran masuk nosel, dan itu menurun ketika tekanan dinamis pada outlet nosel meningkat. Tekanan statis adalah À8,5 kPa (pengukur) untuk nozel WJ saja dan À36,5 kPa (pengukur) untuk nozel WJC dengan SFN terpasang. Di SFN, kecepatan aliran pada discharge nozzle WJ cepat, tetapi menurun karena tekanan statis menurun, yang disebabkan oleh aliran berputar yang mengelilingi nozzle WJ. Tekanan discharge dan laju aliran pompa tekanan tinggi yang digunakan dalam percobaan ini adalah 35 MPa dan 15 L / menit, masing-masing; Namun, dengan diameter nozzle WJ 0,8 mm, laju aliran dikurangi menjadi 6,9 L / menit. Kecepatan aliran dari nozzle discharge WJ yang diperoleh dari luas penampang nozzle adalah 229 m / s. Untuk menentukan kecepatan aliran pada pintu keluar nosel, luas penampang nosel (S) diperoleh dari diameter nozzle (d), dan laju alir yang diukur (Q) dibagi oleh S. Aliran berputar dalam nosel meningkatkan jumlah kavitasi dan memberikan tekanan yang diperlukan untuk ekspansi gelembung. Jika tekanan internal (p

N ) dari nosel berputar-putar menjadi negatif, kecepatan aliran di lubang masuk (v

I ) dapat diperoleh dengan Persamaan. (1). Tekanan negatif ini adalah gaya yang menarik aliran air untuk menyebabkan berputar. Namun, dalam praktiknya, perlu untuk mempertimbangkan hilangnya pipa inflow dan pipa gesekan kehilangan tekanan,

p

n

1/4 p

i

2

r

v

2 i

(1) adalah di mana p

 adalah koefisien kerugian inflow (0,5), l adalah koefisien tabung gesekan (0,03), d adalah pipa inflow diameter bagian ( 20 mm), dan l adalah panjang pipa inflow SFN (0,05 m). Kecepatan aliran pipa aliran masuk yang sebenarnya (u) dinyatakan oleh Persamaan. (3), dan laju aliran (Q) diekspresikan oleh Persamaan. (4).

Sudut inflow pada saat keluarnya aliran inflow SFN ditetapkan secara eksentrik ke 7 dengan memperhatikan pusat dari SFN. Hal ini menyebabkan aliran berputar untuk membentuk pada posisi yang jauh dari arah injeksi nozzle WJ.

Gambar. 3 (a) menunjukkan hubungan antara tekanan di outlet WJ nozzle (p

n) dan kecepatan aliran di dalam pipa inflow (u), dan Gambar. 3 (b) memberikan hubungan antara p

n dan laju alir (Q).

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, laju alir adalah 6,83 Â 10 3/s dan kecepatan aliran 2,17 m / s untuk SFN dengan tekanan outlet nozzle WJ À36,5 kPa. Di sekitar air yang mengalir di sudut 7 dari pipa inflow, aliran berputar-putar dihasilkan di sepanjang dinding bagian dalam SFN dan sekitar pembuangan nozzle WJ. Aliran berputar lebih lanjut mengurangi tekanan statis sepanjang arah aliran debit. Setelah memasuki 7, aliran berputar terbentuk, tetapi diasumsikan bahwa dinding bagian dalam 64 mm dari nosel SFN adalah aliran berputar paling awal. Dengan demikian, radius maksimum aliran berputar adalah 32 mm, yang merupakan setengah dari diameter dalam 64-mm dari SFN. Aliran vortex di SFN dapat diperlakukan sebagai sirkulasi (G) yang didefinisikan oleh Persamaan. (5),

2p ru 1⁄4 G (5) di

mana r adalah jari-jari sirkulasi. Tekanan vortex (p) diberikan oleh Persamaan. (6),

p 1/4 p

n

A3

m

À

RU2 2 (6) di mana p

n adalah tekanan dalam SFN. Namun, dalam pusaran yang sebenarnya, negara ini tidak dapat dilanjutkan ke pusatnya, melainkan itu

M. Ijiri et al. / Jurnal Internasional Bahan Ringan dan Industri 1 (2018) 12e20 14

Gambar 2. (a) Foto SFN digunakan dalam percobaan. (b) Mekanisme operasi SFN. (c) Tampilan depan nosel SFN.

membentuk bagian nukleus yang sesuai dengan kekuatan vortex.

Dalam pusaran batin, nilai sirkulasi (G) tidak konstan, dan berubah seperti pada Persamaan. (7), tergantung pada posisi radial, 2pr 1

1/4 G (7)

di mana r 1 adalah jari-jari inti ditentukan dari diameter bagian dalam SFN (32 mm) dan r

c adalah jari-jari nukleus.tersebut.

Gambar  3. Pengaruh (a) volumetrik laju aliran dan (b) kecepatan aliran pada tekanan statis di WJ nozzle discharge.

sirkulasi (G) meningkat saat kecepatan aliran masuk meningkat. Tekanan di tengah pusaran (p

m) lebih jauh berkurang, seperti yang ditunjukkan dalam Persamaan. (8),

(8) di mana p n

adalah tekanan outlet nozzle. Dengan informasi ini, kita dapat menentukan nomor kavitasi (C

a ), yang merupakan nomor tanpa dimensi yang digunakan untuk analisis kavitasi dalam hidrodinamika. Hal ini terutama digunakan untuk menganalisis cairan di mesin dan perlengkapan seperti pompa, perpipaan air, dan peralatan hidrolik.

adalah tekanan representatif (tekanan dinamis), dan v adalah kecepatan aliran perwakilan (laju aliran tengah berputar-putar air jet). Sudut difusi aliran jet diukur menggunakan foto jet. Titik generasi kavitasi sesuai dengan C a

1⁄4 1, dan kavitasi terjadi ketika C

A <1. Angka kavitasi yang lebih kecil dikaitkan dengan lebih banyak kavitasi. Oleh karena itu, berikut ini dapat dikatakan:

 Ketika kecepatan aliran representatif meningkat, kavitasi terjadi

lebih mudah. Umumnya, tekanan uap meningkat dengan meningkatnya suhu [4,9,15], sehingga kavitas cenderung meningkat pada suhu yang lebih tinggi.

Dalam penelitian ini, Gambar. 4 diperoleh dengan memperkirakan kecepatan aliran dari nozzle keluar karena penyebaran jet bebas dari nozzle WJ dan menghitung jumlah kavitasi. Sebagai hasilnya, dapat dilihat bahwa di SFN,

R

0 R

 À p

v

3k

þ p

v

À

2s R

(10)

Gambar 4. Hubungan antara jarak dari nozzle jet air dan nomor kavitasi.

M. Ijiri dkk. / Jurnal Internasional Bahan Ringan dan Industri 1 (2018) 12e20 15

adalah di mana p

0 tekanan atmosfer (1 atm), s adalah tegangan permukaan, R

0 adalah jari-jari kesetimbangan, R adalah jari-jari gelembung, dan k adalah panas spesifik rasio (1e1.4).

Pusat SFN memiliki tekanan negatif yang besar, sehingga kavitasi mengembang dengan mudah.

Hal ini diverifikasi pada Gambar. 5, yang menunjukkan bahwa ketika radius gelembung awal R

0 1⁄4 10 μm, gelembung dapat berkembang secara signifikan jika tekanan ambien dari cairan di sekitar gelembung memiliki nilai minimum 0,003 bar (absolut tekanan) atau kurang.

Awan kavitasi yang terbentuk di WJC berada dalam keadaan multi-gelembung, dan dengan cepat mengembang ketika tekanan cair pada dinding gelembung mencapai radius gelembung di mana ekspansi yang intens dimulai di bawah tekanan negatif. Satu gelembung air jet di nozzle berputar berputar dalam proses menghasilkan gelembung baru dengan mengulangi pembangkitan, pertumbuhan, dan kolaps. Dalam tahap pertumbuhan gelembung, tekanan yang lebih rendah di SFN memberikan lebih banyak kavitasi yang melelehkan peluang untuk berkembang. Gambar 6 menunjukkan radius tekanan dan gelembung dari proses pertumbuhan gelembung ketika radius gelembung adalah 10 μm, 100 μm, 150 μm, dan 200 μm pada 1 atm. Ketika SFN digunakan, tekanan dikurangi menjadi tekanan absolut sekitar 0,6 atm (garis putus-putus), sehingga gelembung setiap ukuran meningkat sekitar 20%. Selain itu, dalam keadaan multi-gelembung, daerah tekanan rendah lokal terbentuk karena gelembung kolaps. Oleh karena itu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6,

gelembung besar cenderung mengembang dengan tekanan yang lebih rendah, dan ketika tekanan lebih rendah dari tekanan kritis, gelembung meluas. Penambahan tekanan suara negatif, seperti dengan radiasi dengan gelombang ultrasonik, diperlukan untuk mengurangi tekanan di bawah tekanan kritis. Seperti dijelaskan di atas, SFN dengan cepat memperluas banyak gelembung yang dihasilkan oleh WJC. Akibatnya, gelembung yang mengalir keluar dari SFN menghasilkan kavitasi bertekanan ultrahigh.

3.2. Perubahan mikrostruktur pada permukaan Al yang diproses dengan SFN

Gambar 7 menunjukkan foto-foto permukaan spesimen yang diproses dengan WJC menggunakan SFN pada empat periode proses yang berbeda (2, 10, 20, dan 30 menit). Sebelum diproses, permukaan spesimen dicat dengan tinta berbasis minyak untuk dengan mudah mengidentifikasi area yang dimodifikasi oleh WJC. Selama setiap interval pemrosesan, area-area yang dilucuti tinta dan peen secara bertahap diperluas, dan variasi diamati di area peened. Alasan mengapa jejak erosi membentuk bentuk cincin setelah pengobatan peening ini dijelaskan oleh Soyama et al. [16].

Setelah 2 menit pemrosesan (Gbr. 7 (a)), area pusat secara intensif dikupas, sedangkan hampir tidak ada jejak peening di sekitarnya. Peening terkonsentrasi pada 5,59 mm atau lebih dari pusat. Hampir tidak ada jejak peening pada 12,0 mm atau

Gambar. 5. Hubungan antara radius gelembung dan tekanan cairan di sekitarnya.

lebih banyak dari pusat. Seiring bertambahnya waktu pemrosesan, area konsentrasi peening bertambah seiring area yang dilucuti tinta juga meluas. Umumnya, diketahui bahwa waktu hancur gelembung hanya 2 μs dan tekanan kolaps maksimum mencapai 1 GPa atau lebih. Nilai ini cukup untuk memotret permukaan material berkekuatan tinggi, seperti baja perkakas atau stellite, dengan pemutusan tekanan 1 GPa atau lebih. Permukaan spesimen Al murni cenderung lebih terkikis karena dampak kavitasi.

Thiruvengadam et al. [17] mengklasifikasikan proses erosi kavitasi menjadi empat periode: periode istirahat di mana erosi sangat sulit

. Gambar 6. Hubungan antara radius gelembung dan tekanan cairan di sekitar dinding gelembung.

M. Ijiri dkk. / Jurnal Internasional Bahan Ringan dan Industri 1 (2018) 12e20 16

Gambar 7. Perubahan morfologi permukaan setelah (a) 2 menit, (b) 10 menit, (c) 20 menit, dan (d) 30 menit perawatan WJC menggunakan SFN.

terlihat, periode percepatan di mana tingkat erosi secara bertahap meningkat, periode perlambatan di mana laju menurun setelah mencapai puncak, dan periode stasioner. Sebaliknya, menurut percobaan Plesset et al. [18] dan Hobbs dkk. [19], periode puncak lebar, dan ini disebut sebagai periode stasioner. Selain itu, Shalnevs dkk. [20] membagi proses menjadi dua periode: periode istirahat dan periode stasioner. Jadi, tampaknya tidak ada konsensus tentang bagaimana erosi berlangsung dan dijelaskan secara berbeda oleh para peneliti yang berbeda.

Sampai gelembung kavitasi yang sebenarnya runtuh, gelembung-gelembung dikumpulkan di awan pekat dan erosi parah terjadi. Namun, gelembung individu memiliki ukuran, bentuk, jarak yang berbeda dari permukaan dinding, dan interaksi dengan gelembung yang berdekatan, sehingga berbagai tekanan kehancuran diproduksi. Dalam keadaan seperti itu, tekanan runtuhnya gelembung tertentu tidak dapat diselidiki secara langsung, juga tidak dapat kita tentukan frekuensi berbagai tekanan runtuh gelembung yang bekerja pada permukaan spesimen.

Permukaan spesimen yang diproses dengan WJC diamati dengan SEM secara rinci. Gambar 8

menunjukkan gambar SEM dari permukaan yang diproses selama 2 menit. Pada gambar, panel (A), (B), dan (C) sesuai dengan daerah persegi panjang yang ditandai A, B, dan C, masing-masing, pada Gambar. 7 (a). Panel (A) berasal dari pusat peening pada Gambar 7 (a), dan banyak penyok kecil yang diamati. Pada panel (B), banyak alur yang dalam diamati, sedangkan pada panel (C), hanya penampilan pengelupasan tinta yang diamati, dan permukaannya dicukur halus. Partikel yang diamati di permukaan dianggap puing-puing terlepas oleh dampak dari WJC, mengkonfirmasi bahwa kavitasi dampak mengikis permukaan.

Gambar. 9 menunjukkan gambar SEM dari permukaan setelah 10 menit proses. Banyak depresi tidak beraturan terlihat di bagian tengah panel (A), dan partikel yang terlepas yang dihasilkan oleh

dampak WJC terakumulasi dalam depresi yang ditunjukkan pada panel (A0). Partikel-partikel diukur sekitar 1e8 μm ukuran, dan beberapa cacat lainnya dicatat di sekitar depresi, menunjukkan bahwa itu telah dicukur berulang oleh proses kavitasi untuk waktu yang lama.

Gambar. 8. SEM gambar permukaan spesimen setelah perawatan WJC selama 2 menit. Panel (A), (B), dan (C) adalah pembesaran dari kotak putus-putus ditandai A, B, dan C, masing-masing, pada Gambar. 7 (a).

M. Ijiri dkk. / Jurnal Internasional Bahan Ringan dan Industri 1 (2018) 12e20 17

Gambar 9. Gambar SEM dari permukaan spesimen setelah perawatan WJC selama 10 menit. Panel (A) dan (B) adalah pembesaran kotak putus-putus ditandai A dan B, masing-masing, pada Gambar. 7 (b). Panel (A0) adalah pembesaran salah satu lekukan di panel (A), dan panel (A00) adalah area 3 mm dari pusat spesimen.

Dibandingkan dengan 2 menit pemrosesan, setelah 10 menit, desimal kecil yang terlihat pada Gambar. 8 (A) telah tumbuh dan menjadi terhubung. Dalam Gambar. 9 (B), yang menunjukkan daerah yang paling peen, alur dalam terlihat pada Gambar. 8 (B) telah menjadi terhubung dantidak teratur

depresi yangtelah terbentuk. Ada beberapa cacat di sekitar penyok ini, seperti yang diamati di pusat Gbr. 9 (A), memberikan spesimen penampilan mirip spons. Selain itu, partikel-partikel kecil yang terakumulasi dalam depresi; Namun, ada lebih sedikit daripada yang terlihat pada depresi pada Gambar. 9 (A).

Gambar. 10 menunjukkan gambar SEM dari permukaan setelah 20 menit proses. Dibandingkan dengan 10 menit pemrosesan, Gambar. 10 (A) menunjukkan lebih banyak depresi tidak beraturan, dan spesimen masih memiliki penampilan seperti spons. Namun, di beberapa daerah, seperti yang ditandai

Gambar. 10. SEM gambar permukaan spesimen setelah perawatan WJC selama 20 menit. Panel (A) dan (B) adalah pembesaran kotak putus-putus ditandai A dan B, masing-masing, pada Gambar. 7 (c). Panel (B0) adalah celah yang diamati di daerah yang berdekatan dengan panel (B). Panah hitam di panel (A) menunjukkan area yang tidak terkikis.

M. Ijiri dkk. / Jurnal Internasional Bahan Ringan dan Industri 1 (2018) 12e20 18

Gambar. 11. Gambar SEM dari permukaan spesimen setelah perawatan WJC selama 30 menit. Panel (A) dan (B) adalah pembesaran kotak putus-putus ditandai A dan B, masing-masing, pada Gambar. 7 (d). Panel (B0) adalah pembesaran retak yang diamati di area yang ditunjukkan pada panel (B).

oleh panah hitam, erosi belum terjadi. Ini juga muncul pada 2 menit dan 10 menit; Namun, tidak jelas mengapa erosi tidak berkembang di lokasi ini. Di Gbr. 10 (B), lubang erosi dalam, dan beberapa retakan ada di permukaan tempat erosi telah diperbesar, seperti ditunjukkan pada Gambar. 10 (B0).

Gambar. 11 menunjukkan gambar SEM dari permukaan setelah 30 menit proses. Pada Gambar. 11 (A), erosi seperti spons yang terlihat pada Gambar. 10 (B) telah mengalami kemajuan, dan banyak lekukan yang tergores mendalam diamati. Seperti yang terlihat pada Gambar. 11 (B), permukaannya tidak rata; Namun, itu tidak memiliki

penampilan seperti spons dan beberapa partikel diamati. Pada Gambar. 11 (B0), retakan ada di permukaan, mirip dengan yang terlihat pada Gambar. 10 (B0). Retakan ini dapat menunjukkan bahwa fraktur intergranular telah berkembang karena permukaan spesimen diregangkan dengan peening.

Gambar. 12 menunjukkan hubungan antara ukuran daerah peened dan waktu pemrosesan, seperti ditunjukkan pada Gambar. 7. Ukuran daerah peened diperoleh dengan rata-rata panjang dan lebar yang diukur dari daerah peened. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 12 (a), area peen A dan B secara berangsur-angsur bertambah seiring dengan bertambahnya waktu pemrosesan. Area C pada Gambar. 12 (b) hampir tidak diproses pada 2 menit, sedangkan sponge-like pressure secara bertahap terbentuk dengan proses lebih lanjut (10e20 menit), dan relung-relung ini menghilang setelah pemrosesan yang lebih lama (30 menit). Namun, area D hampir tidak dimodifikasi oleh pemrosesan, bahkan pada waktu pemrosesan yang lebih lama. Mungkin distribusi gelembung dalam awan kavitasi pada puncak kedua [21] bertanggung jawab atas kurangnya modifikasi di area D, tetapi hasil ini tidak meyakinkan. Ketika waktu pemrosesan meningkat, permukaan spesimen secara berangsur-angsur berkurang dan terkikis, yang berarti bahwa pemrosesan permukaan spesimen dipromosikan ketika jumlah kavitasi meningkat. Diperlukan untuk menyelidiki lebih lanjut perbedaan antara area yang dimodifikasi oleh pengolahan WJC di masa depan.

Gambar. 12. (a) Diameter terukur dari area peened dari permukaan yang diproses WJC ditunjukkan pada Gambar. 7. (b) Diagram WJC permukaan spesimen yang diolah mengidentifikasi area yang menampilkan perbedaan modifikasi.

M. Ijiri dkk. / Jurnal Internasional Bahan Ringan dan Industri 1 (2018) 12e20 19

Gambar 13. Permukaan spesimen diproses selama 2 menit oleh WJC tanpa SFN.

Secara umum, gelembung bertekanan rendah terbentuk di luar jet air (yaitu, di sekitar pusat jet) karena sirkulasi vortisitas selama pemrosesan dengan WJC. Penelitian ini mengungkapkan bahwa erosi-mempromosikan gelembung udara juga terbentuk di pusat jet. Efek dari gelembung-gelembung ini diamati pada permukaan spesimen lain setelah pengolahan WJC selama 2 menit tanpa SFN, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 13. Bagian tengah spesimen (panah putih) diamati menggunakan SEM (tidak ditampilkan di sini), dan beberapa lekukan atau alur dalam diamati. Morfologi itu kasar secara keseluruhan, dan bentuknya seolah-olah ada sesuatu yang menekannya. Kami menyimpulkan bahwa gelembung udara yang membentuk erosi bertabrakan dengan wilayah pusat permukaan spesimen, yang menunjukkan tanda peening yang cukup untuk diamati dengan mata telanjang. Ketika SFN digunakan, gelembung udara yang membentuk erosi secara mendalam merasuki pusat setelah 2 menit pemrosesan. Ada kemungkinan bahwa, daripada gelembung udara yang membentuk erosi, awan kavitasi bertanggung jawab untuk memproses pusat spesimen ketika SFN digunakan. Saat ini tidak diketahui mengapa erosi abnormal terjadi di pusat selama pemrosesan. Dalam kasus WJC dengan SFN, keefektifan gelembung-gelembung udara yang membentuk erosi mungkin telah dikurangi oleh pembentukan sejumlah besar kavitasi karena berputar-putar di dalam nosel. Di masa depan, WJC menggunakan SFN dapat menjadi metode yang efektif untuk meningkatkan kekuatan kelelahan Al dan mengurangi kebutuhan untuk paduan logam.

Kesimpulan

Sebuah nosel tambahan dikembangkan untuk meningkatkan jumlah dan ukuran gelembung kavitasi pada debit dari nozzle WJ. Ketika spesimen menjadi sasaran pengolahan permukaan WJC konvensional, modifikasi di pusat spesimen membuat jelas bahwa gelembung udara yang membentuk erosi ada di pusat jet air. Dalam pemrosesan titik-tetap dari Al murni dengan SFN, suatu struktur berlapis-seperti busa yang terbentuk di sekitar pusat, dan bagian-bagian yang terlepas dan suatu area yang diinduksi oleh kavitasi diamati pada permukaan spesimen. Dalam jet air yang dilengkapi dengan SFN, keefektifan gelembung udara pembentukan erosi melemah karena SFN meningkatkan jumlah kavitasi. Efek dari SFN pada waktu pemrosesan ditemukan bahwa bahwa SFN memperlambat erosi di wilayah tengah dibandingkan dengan WJC tanpa SFN.

Ucapan Terima Kasih

Karya ini didukung oleh Inovasi Sains dan Inisiatif Teknologi untuk program Keamanan Badan Akuisisi,

Teknologi & Logistik (ATLA) Jepang. Penelitian ini didukung sebagian oleh Light Metal Educational Foundation, Inc.

Referensi

[1] T. Ohzishi, Lingkungan sosial dan masalah dalam daur ulang aluminium, J. Jpn.

Inst. Cahaya Met. 46 (1996) 525e532. [2] M. Ijiri, D. Shimonishi, D. Nakagawa, T. Yoshimura, Evolusi mikrostruktur dari permukaan ke bagian dalam baja Cr-Mo dengan peening air jet, Mater. Sci. Appl. 8 (2017) 708e715. [3] M. Ijiri, T. Yoshimura, Evolusi permukaan ke mikro struktur baja SCM435 setelah pemrosesan kavitasi bertekanan ultra tinggi dan ultra-tinggi, J. Mater. Proses. Technol. 251 (2018) 160e167. [4] M. Ijiri, D. Shimonishi, D. Nakagawa, K. Tanaka, T. Yoshimura, Permukaan modifikasi dari baja Ni-Cr-Mo oleh multifungsi kavitasi, J. Mater. Sci. Ya A 7 (11e12) (2017) 290e296. [5] K. Hirano, K. Enomoto, E. Hayashi, K. Kurosawa, Pengaruh air jet peening pada ketahanan korosi dan kekuatan kelelahan tipe 304 stainless steel, J. Soc. Mater. Sci. 45 (1996) 740e745. [6] T. Yoshimura, K. Tanaka, N. Yoshinaga, Pengembangan teknologi kavitasi mekanik-elektrokimia, J. Jet. Arus Eng. 32 (2016) 10e17. [7] T. Yoshimura, K. Tanaka, N. Yoshinaga, pengolahan bahan tingkat nano oleh

multifungsi kavitasi, Nanosci. Nanotechnol. e Asia 8 (2018) 41e54. [8] T. Yoshimura, K. Tanaka, N. Yoshinaga, Pengolahan bahan oleh kavitasi mekanik-elektrokimia, Grup BHR 2016 Air Jet (2016) 223e235. [9] M. Ijiri, T. Yoshimura, Peningkatan ketahanan korosi baja paduan rendah dengan pelapisan ulang menggunakan cavitation multifungsi dalam air, 2018 IOP Conf. Ser .: Mater. Sci. Eng 307 (2018) 012040.

M. Ijiri dkk. / Jurnal Internasional Bahan Ringan dan Industri 1 (2018) 12e20 20

[10] T. Yoshimura, K. Waseda, K. Sato, N. Takarayama, Pengembangan air jet peening di udara dan aplikasi untuk resah kelelahan, J. Jet Flow Ya 24 (2007) 11e17. [11] H. Soyama, Pengenalan tegangan sisa tekan menggunakan jet kavitasi

di udara, J. Eng. Mater. Technol. Trans. ASME 126 (2004) 123e128. [12] H. Soyama, Pengamatan kecepatan tinggi dari jet kavitas di udara, J. Fluids Eng.

Trans. ASME 127 (2005) 1095e1101. [13] M. Mochizuki, K. Enomoto, S. Sakata, K. Kurosawa, H. Saito, H. Tsujimura, K. Ichie, Sebuah studi tentang perbaikan stres sisa oleh peening air jet, dalam: Prosiding Konferensi Internasional ke-5 pada Ditembak Peening 5 Int. Conf. pada Ditembak Peening, Oxford, 1993, hlm. 247e256. [14] H. Soyama, Y. Yamauchi, T. Ikohagi, R. Oba, K. Sato, T. Shindo, R. Oshima, Ditandai peening efek oleh kecepatan tinggi jet terendam air. Sisa perubahan sisa pada SUS304, J. Jet. Arus Eng. 13 (1996) 25e32. [15] H. Soyama, M. Asahara, Peningkatan ketahanan korosikarbon

permukaan bajaoleh jet kavitas, J. Mater. Sci. Lett. 18 (1999) 1953e1955. [16] H. Soyama, A. Lichtarowicz, Korelasi berguna untuk jet air kavitasi, Rev.

High Press. Sci. Technol. 7 (1998) 1456e1458. [17] A. Thiruvengadam, Herman S. Preiser, P. Eisenberg, Pada mekanisme kerusakan kavitasi dan metode perlindungan, SNAME Trans. 73 (1965) 241e286. [18] MS Plesset, RE Devine, Pengaruh waktu pencahayaan pada kerusakan kavitasi, J. Basic

Eng. Trans. ASME Ser. D 88 (1966) 691e705. [19] JM Hobbs, Pengalaman dengan uji erosi kavitasi 20 kc, ASTM STP 408

(1967) 159e185. [20] KK Shalnev, JJ Varga, G. Sebestyen, investigasi efek-skala darikavitasi

erosimenggunakan parameter energi, ASTM STP 408 (1967) 220e238. [21] Y. Yamauchi, H. Soyama, K. Sato, T. Ikohagi, R. Oba, Pengembangan erosi dalam jet air terendam berkecepatan tinggi, Trans. Jpn Soc. Mech. Ya Ser. B 60 (1994) 736e743.