Comparative study of cavitation erosion resistance of austenitic steels with different levels of metastability

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Reliability-critical components of equipment working in contact with high-speed liquid media (for example, turbine blades of hydroelectric power stations, pump impellers, ship propellers) are subjected to one of the types of wear – cavitation erosion. The current study aims to select and scientifically substantiate the type of coating and its structural-phase state for the effective protection of parts from cavitation erosion. Research methods. The study carries out a comparative analysis of differences in the cavitation erosion resistance of characteristic austenitic steels, in the form of bulk material (316L) and coatings (E308L, 60Cr8TiAl), used for protection against cavitation Arc surfacing, i.e. MMA and MIG, is used for depositing the coatings. The tests are carried out on an original installation for evaluating the cavitation resistance of materials with applying ultrasound and the electrical potential difference. Results and Discussion. The results show that the 60Cr8TiAl has a higher resistance to cavitation erosion than that of E308L and 316L by 4 and 10 times, respectively. The structural factors that determine the resistance to cavitation erosion damage are identified to analyze the reasons for the differences in material resistance. Firstly, a strong dependence of the cavitation erosion resistance of austenitic steels on the intensity of the deformation martensitic transformation, developing under the influence of cavitation, is confirmed. This structural transformation contributes to an increase in cavitation resistance of the surface layer. In metastable austenitic steel, a deformation martensite (α′) is formed in the surface layer during the initial test period. This causes an increase in hardness, dissipation of the energy of external action, and the appearance of compressive stresses that prevent the occurrence of microcracks. Subsequently, additional hardening of the previously formed dispersed crystals of α′-martensite occurs. In 60Cr8TiAl, these effects are significantly stronger than that of E308L and 316L due to the higher level of metastability of austenite and formation of carbon deformation martensite.

About the authors

Y. S. Korobov

Email: yukorobov@gmail.com
D.Sc. (Engineering); M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 18 S. Kovalevskoy str., Ekaterinburg, 620108, Russian Federation; yukorobov@gmail.com

H. L. Alwan

Email: lefta.hussam@gmail.com
Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, 19 Mira str., Ekaterinburg, 620002, Russian Federation; lefta.hussam@gmail.com

A. V. Makarov

Email: av-mak@yandex.ru
D.Sc. (Engineering); M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 18 S. Kovalevskoy str., Ekaterinburg, 620108, Russian Federation; av-mak@yandex.ru

V. A. Kukareko

Email: v_kukareko@mail.ru
D.Sc. (Physics and Mathematics), Professor; The Joint Institute of Mechanical Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus, 12 Akademicheskaya str., Minsk, 220072, Republic of Belarus; v_kukareko@mail.ru

V. A. Sirosh

Email: sirosh.imp@yandex.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics); M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 18 S. Kovalevskoy str., Ekaterinburg, 620108, Russian Federation; sirosh.imp@yandex.ru

M. A. Filippov

Email: michael.alex.filippov@yandex.ru
D.Sc. (Engineering), Professor; Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, 19 Mira str., Ekaterinburg, 620002, Russian Federation; michael.alex.filippov@yandex.ru

S. Kh. Estemirova

Email: esveta100@mail.ru
Ph.D. (Chemical); Institute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 101 Amundsen str., Ekaterinburg, 620016, Russian Federation; esveta100@mail.ru

References

  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/ href='www.scientific.net/SSP.299.908' target='_blank'>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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».