Kavitationserosion

Kavitationserosion ist eine Form des mechanischen Materialschadens, die durch den Kollaps von Blasen in einer Flüssigkeit nahe einer Grenzfläche verursacht wird. Unter extremen Druck- und Geschwindigkeitsbedingungen bilden sich gas- oder dampfgefüllte Blasen; ihr plötzlicher Kollaps erzeugt hochenergetische Mikrojets und Stoßwellen, die die Oberflächen repetitiv treffen. Dadurch entstehen Mikrokavitäten, Oberflächenpits und allmählicher Materialabtrag.

Betroffene Umgebungen umfassen Hochgeschwindigkeitsströmungen in Pumpen, Propellern, Turbinen, Ventilen und Hydrauliksystemen. Kavitation kann bereits bei moderaten Druckabfällen auftreten, insbesondere in Bereichen mit starken Druckschwankungen, Turbulenzen oder engen Spalten.

Der Mechanismus ist zyklisch: Blasen bilden sich, wachsen und kollabieren in der Nähe der Oberfläche; die dabei freigesetzten Kräfte führen zu mechanischer Verschlechterung der Matrix, oft in Kombination mit chemischer Korrosion in reizendem Medium (Kavitationserosion-Korrosion).

Wichtige Einflussfaktoren sind Werkstoffhärte, Zähigkeit, Mikrostruktur, Oberflächenrauhigkeit, Vorbelastungen, Temperatur sowie die chemische Zusammensetzung der Flüssigkeit. Härtere und zähere Materialien weisen tendenziell bessere Kavitationserosionresistenz, sind aber oft spröder; Oberflächenbeschichtungen (z. B. harte Carbide, PVD/CVD-Beschichtungen) und Wärmebehandlung können die Lebensdauer erhöhen. Konstruktive Maßnahmen umfassen die Beseitigung extremer Druckgradienten, glatte Oberflächen, reduzierte Turbulenz und optimierte Strömungswege.

Zur Bewertung der Kavitationserosion dienen Untersuchungen wie Verlustratenmessungen, Oberflächenprofilometrie und Mikroskopie. Typische Prüfmethoden verwenden Ultraschallvibration oder hydrodynamische Kavitation, um den Materialabtrag unter kontrollierten Bedingungen zu reproduzieren.

Die Erkenntnisse zur Kavitationserosion sind wichtig für die Auslegung von Hydraulikmaschinen, Schiffstrukturen, Pumpen und Armaturen, da geringste Materialermüdung zu Ausfällen führen kann. Forschung zielt auf bessere Werkstoffe, Oberflächenbehandlungen und Betriebsstrategien, um Kavitation zu verhindern oder zu mindern.