ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. Критичные по надежности компоненты оборудования, контактирующие с высокоскоростными жидкими средами (например, лопатки турбины гидростанций, крыльчатки насосов, корабельные винты), подвержены одному из видов износа – кавитационной эрозии. Целью работы был выбор и научное обоснование вида покрытия и его структурно-фазового состояния для эффективной защиты деталей от кавитационной эрозии. Методы исследования. В исследовании проведен сравнительный анализ различий в эрозионной стойкости характерных аустенитных сталей в виде объемного материала (316L) и покрытий (E308L, 60Х8ТЮ), используемых для защиты от кавитации. Для нанесения покрытий использовали дуговую наплавку, ручную и неплавящимся электродом в аргоне. Испытания проведены на оригинальной установке оценки кавитационной стойкости материалов при наложении ультразвука и разности электрических потенциалов. Результаты и обсуждение. Результаты показывают, что 60Х8ТЮ имеет более высокую стойкость против кавитационной эрозии, чем E308L и 316L, в 4 и 10 раз соответственно. При анализе причин различий кавитационной стойкости выявлены структурные факторы, определяющие сопротивление эрозионному разрушению. Впервые установлена сильная зависимость эрозионной стойкости аустенитных сталей от интенсивности развивающегося под действием кавитации деформационного мартенситного превращения, которое способствует повышению кавитационной стойкости. В метастабильной аустенитной стали в начальный период испытаний в поверхностном слое происходит образование мартенсита деформации (α′), вызывающее рост твердости, диссипацию энергии внешнего воздействия и появление сжимающих напряжений, препятствующих возникновению микротрещин. В дальнейшем происходит дополнительное упрочнение ранее сформированных дисперсных кристаллов α′-мартенсита. В 60Х8ТЮ указанные эффекты проявились значительно сильнее, чем в E308L и 316L, вследствие более низкой стабильности аустенита и образования углеродистого мартенсита деформации.
Коробов Юрий Станиславович
Алван Хуссам Лефта Алван
Макаров Алексей Викторович
Кукареко Владимир Аркадьевич
Сирош Виталий Александрович
Филиппов Михаил Александрович
Эстемирова Светлана Хусаиновна
1. Богачев И.Н. Кавитационное разрушение и кавитационностойкие сплавы. – М.: Металлургия, 1972. – 192 с.
2. Singh R., Tiwari S.K., Mishra S.K. Cavitation erosion in hydraulic turbine components and mitigation by coatings: current status and future needs // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2012. – Vol. 21. – P. 1539–1551. – DOI: 10.1007/s11665-011-0051-9.
3. Adamkowski A., Henke A., Lewandowski M. Resonance of torsional vibrations of centrifugal pump shafts due to cavitation erosion of pump impellers // Engineering Failure Analysis. – 2016. – Vol. 70. – P. 56–72. – DOI: 10.1016/j.engfailanal.2016.07.011.
4. Горбаченко Е.О. Оценка долговечности металлических материалов и судового оборудования при кавитационном изнашивании методом профилометрии: дис. … канд. техн. наук. – СПб., 2019. – 150 с.
5. Сопротивление эрозионно-коррозионному кавитационному воздействию WC–CoCr- и WC–NiCr-покрытий, полученных методом HVAF / Ю.С. Коробов, Х.Л. Алван, М. Барбоза, Н.В. Лежнин, Н.Н. Соболева, А.В. Макаров, М.С. Девятьяров, А.Ю. Давыдов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. – 2019. – Т. 21, № 1. – С. 20–27. – DOI: 10.15593/2224-9877/2019.1.03.
6. Vyas B., Preece C. Cavitation erosion of face centered cubic metals // Metallurgical and Materials Transactions A. – 1977. – Vol. 8. – P. 915–923. – DOI: 10.1007/BF02661573.
7. Brujan E.A., Ikedab T., Matsumoto Y. Shock wave emission from a cloud of bubbles // Soft Matter. – 2012. – Vol. 8, iss. 21. – P. 5777–5783. – DOI: 10.1039/C2SM25379H.
8. Lauterborn W., Bolle H. Experimental investigation of cavitation bubble collapse in the neighborhood of a solid boundary // Journal of Fluid Mechanics. – 1975. – Vol. 72. – P. 391–399. – DOI: 10.1017/S0022112075003448.
9. Plesset M.S., Chapman R.B. Collapse of an initially spherical vapor cavity in the neighborhood of a solid boundary // Journal of Fluid Mechanics. – 1971. – Vol. 47. – P. 283–290. – DOI: 10.1017/S0022112071001058.
10. Relationship between cavitation structures and cavitation damage / M. Dular, B. Bachert, B. Stoffel, B. Širok // Wear. – 2004. – Vol. 257. – P. 1176–11841. – DOI: 10.1016/j.wear.2004.08.004.
11. Vyas B., Preece C. Stress produced in a solid by cavitation // Journal of Applied Physics. – 1976. – Vol. 47. – P. 5133–5138. – DOI: 10.1063/1.322584.
12. Pohl M., Stella J., Hessing C. Comparative study on CuZnAl and CuMnZnAlNiFe shape memory alloys subjected to cavitation-erosion // Advanced Engineering Materials. – 2003. – Vol. 5. – P. 251–256. – DOI: 10.1002/adem.200300341.
13. Espitia L.A., Toro A. Cavitation resistance, microstructure and surface topography of materials used for hydraulic components // Tribology International. – 2010. – Vol. 43. – P. 2037–2045. – DOI: 10.1016/j.triboint.2010.05.009.
14. Chiu K.Y., Cheng F.T., Man H.C. Cavitation erosion resistance of AISI 316L stainless steel laser surface-modified with NiTi // Materials Science and Engineering: A. – 2005. – Vol. 392. – P. 348–358. – DOI: 10.1016/j.msea.2004.09.035.
15. Residual stress and microstructure evolutions of SAF 2507 duplex stainless steel after shot peening / M. Chen, H. Liu, L. Wang, Z. Xu, V. Ji, C. Jiang // Applied Surface Science. – 2018. – Vol. 459. – P. 155–163. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2018.07.182.
16. Park I.-C., Kim S.-J. Effect of pH of the sulfuric acid bath on cavitation erosion behavior in natural seawater of electroless nickel plating coating // Applied Surface Science. – 2019. – Vol. 483. – P. 194–204. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2019.03.277.
17. Cavitation erosion-corrosion resistance of deposited austenitic stainless steel/E308L-17 electrode / H.L. Alwan, Yu.S. Korobov, N.N. Soboleva, N.V. Lezhnin, A.V. Makarov, E.P. Nikolaeva, M.S. Deviatiarov // Solid State Phenomena. – 2020. – Vol. 299. – P. 908–913. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.299.908.
18. Gualco A., Svoboda H.G., Surian E.S. Effect of welding parameters on microstructure of Fe-based nanostructured weld overlay deposited through FCAW-S // Welding International. – 2016. – Vol. 30. – P. 573–580. – DOI: 10.1080/ 09507116.2015.1096533.
19. Sreedhar B.K., Albert S.K., Pandit A.B. Improving cavitation erosion resistance of austenitic stainless steel in liquid sodium by hardfacing – comparison of Ni and Co based deposits // Wear. – 2015. – Vol. 342–343. – P. 92–99. – DOI: 10.1016/j.wear.2015.08.009.
20. Abrasion, erosion and cavitation erosion wear properties of thermally sprayed alumina based coatings / V. Matikainen, K. Niemi, H. Koivuluoto, P. Vuoristo // Coatings. – 2014. – Vol. 4. – P. 18–36. – DOI: 10.3390/coatings4010018.
21. Effect of spray particle velocity on cavitation erosion resistance characteristics of HVOF and HVAF processed 86WC-10Co4Cr hydro turbine coatings / R.K. Kumar, M. Kamaraj, S. Seetharamu, T. Pramod, P. Sampathkumaran // Journal of Thermal Spray Technology. – 2016. – Vol. 25. – P. 1217–1230. – DOI: 10.1007/s11666-016-0427-3.
22. Solidified microstructure of wear-resistant Fe-Cr-C-B overlays / J. Li, R. Kannan, M. Shi, L. Li // Metallurgical and Materials Transactions B. – 2020. – Vol. 51. – P. 1291–1300. – DOI: 10.1007/s11663-020-01863-3.
23. Tôn-Thât L. Experimental comparison of cavitation erosion rates of different steels used in hydraulic turbines // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2010. – Vol. 12. – P. 1–9. – DOI: 10.1088/1755-1315/12/1/012052.
24. Thermal spray and weld repair alloys for the repair of cavitation damage in turbines and pumps: a technical note / A. Kumar, J. Boy, R. Zatorski, L.D. Stephenson // Journal of Thermal Spray Technology. – 2005. – Vol. 14. – P. 177–182. – DOI: 10.1361/10599630523737.
25. Филиппов М.А., Филиппенков А.А., Плотников Г.Н. Износостойкие стали для отливок. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009. – 358 с. – ISBN 978-5-321-01473-8.
26. Heathcock C.J., Protheroe B.E., Ball A. Cavitation erosion of stainless steels // Wear. – 1982. – Vol. 81. – P. 311–327. – DOI: 10.1016/0043-1648(82)90278-2.
27. Understanding the roles of deformation-induced martensite of 304 stainless steel in different stages of cavitation erosion / L.M. Zhang, Z.X. Li, J.X. Hu, A.L. Ma, S. Zhang, E.F. Daniel, A.J. Umoh, H.X. Hu, Y.G. Zheng // Tribology International. – 2021. – Vol. 155. – P. 106752. – DOI: 10.1016/j.triboint.2020.106752.
28. Лободюк В.А., Эстрин Э.И. Мартенситные превращения. – М.: Физматлит, 2009. – 350 с. – ISBN 978-5-9221-1018-1.
29. Structural features of welded joint of medium-carbon chromium steel containing metastable austenite / Yu.S. Korobov, O.V. Pimenova, M.A. Filippov, M.S. Khadyev, N.N. Ozerets, S.B. Mikhailov, S.O. Morozov, Yu.S. Davydov, N.M. Razikov // Inorganic Materials: Applied Research. – 2020. – Vol. 11. – P. 132–139. – DOI: 10.1134/S2075113320010220.
30. An influence of strain-induced nucleation of martensitic transformations on tribological properties of sprayed and surfaced depositions / Yu. Korobov, V. Verkhorubov, S. Nevezhin, M. Filippov, G.A. Tkachuk, A. Makarov, I. Zabolotskikh // International Thermal Spray Conference and Exposition ITSC. – Shanghai, China, 2016. – P. 694–699.
31. G 32-10. Standard test method for cavitation erosion using vibratory apparatus. – ASTM, 2011. – 20 p. – (Annual Book of ASTM Standards).
32. Патент № 2710480 Российская Федерация. Установка для испытания на кавитационную эрозию: № 2018130210: заявл. 20.08.2018: опубл. 26.12.2019, Бюл. № 36 / В.И. Шумяков, Ю.С. Коробов, Х.Л. Алван, Н.В. Лежнин, А.В. Макаров, М.С. Девятьяров. – 9 с.
33. Enhanced cavitation erosion–corrosion resistance of high-velocity oxy-fuel-sprayed Ni-Cr-Al2O3 coatings through stationary friction processing / H.S. Arora, M. Rani, G. Perumal, H. Singh, H.S. Grewal // Journal of Thermal Spray Technology. – 2020. – Vol. 29. – P. 1183–1194. – DOI: 10.1007/s11666-020-01050-5.
34. Цветков Ю.Н., Горбаченко Е.О. Испытания сталей на кавитационное изнашивание с применением метода измерения профиля поверхности // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2017. – Т. 83, № 7. – С. 54–58.
35. Lipold J.C., Kotecki D.J. Welding metallurgy and weldability of stainless steels. – Hoboken, NJ: Wiley, 2005. – 357 p. – ISBN 0-471-47379-0.
36. Сварка и свариваемые материалы. В 3 т. Т. 1. Свариваемость материалов / под ред. Э.Л. Макарова. – М.: Металлургия, 1991. – 528 с. – ISBN 5-229-00816-4.
37. Understanding the roles of deformation-induced martensite of 304 stainless steel in different stages of cavitation erosion / L.M. Zhang, Z.X. Li, J.X. Hu, A.L. Ma, S. Zhang, E.F. Daniel, A.J. Umoh, H.X. Hu, Y.G. Zheng // Tribology International. – 2021. – Vol. 155. – P. 106752. – DOI: 10.1016/j.triboint.2020.106752.
38. Santos L.L., Cardoso R.P., Brunatto S.F. Direct correlation between martensitic transformation and incubation-acceleration transition in solution-treated AISI 304 austenitic stainless steel cavitation // Wear. – 2020. – Vol. 462–463. – P. 203522. – DOI: 10.1016/j.wear.2020.203522.
Финансирование:
Работа выполнена в рамках государственного задания ИМФ УрО РАН по темам № АААА-А18-118020190116-6, № АААА-А19-119070490049-8. Настоящее исследование поддержано проектом № IRA-SME-66316 «cladHEA+» по программе M-ERA.NET, Call 2019-II.
Благодарности:
Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов».
Сравнительная стойкость против кавитационной эрозии аустенитных сталей различного уровня метастабильности / Ю.С. Коробов, Х.Л. Алван, А.В. Макаров, В.А. Кукареко, В.А. Сирош, М.А. Филиппов, С.Х. Эстемирова // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 1. – С. 61–72. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.1-61-72.
Korobov Yu.S., Alwan H.L., Makarov A.V., Kukareko V.A., Sirosh V.A., Filippov M.A., Estemirova S.Kh. Comparative study of cavitation erosion resistance of austenitic steels with different levels of metastability. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2022, vol. 24, no. 1, pp. 61–72. DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.1-61-72. (In Russian).
