Применение разработанной методики оценки кавитационного воздействия для анализа эрозионной стойкости металлокерамических газотермических покрытий

Многие детали машин, работающие в контакте с быстротекущим потоком жидкостей (например, лопасти турбины гидростанций, клапаны, лопасти крыльчатки насосов, корабельные винты, системы охлаждения различных агрегатов и т.п.), подвергаются одному из видов износа – кавитационной эрозии. Исключение или уменьшение кавитационной эрозии является важной задачей, так как позволяет достичь большого экономического эффекта. В данном исследовании предложена разработанная и запатентованная методика для оценки стойкости металлокерамических газотермических покрытий (WC–10Co4Cr и WC–20CrC–7Ni) против кавитационной эрозии. Для получения металлокерамических покрытий использовался метод сверхзвукового газовоздушного напыления. Цель работы состояла в испытании новой методики оценки стойкости покрытий против кавитационного воздействия, которая отличается от стандартного метода расположением испытуемого образца относительно жидкости, используемой при испытании. Кроме того, проведен анализ структуры полученных покрытий в исходном состоянии перед испытаниями и изучено их поведение после кавитационного воздействия с применением растровой электронной микроскопии. Критерий потери объема материала в процессе кавитационного воздействия был использован для оценки стойкости покрытий. Результаты проведенных испытаний показали, что покрытие WC–20CrC–7Ni имеет несколько более высокую кавитационную стойкость по сравнению с составом WC–10Co4Cr, несмотря на его немного меньшую среднюю твердость (850±90 HV_0,5 против 950±60 HV_0,5). Исследование поверхности и поперечных сечений покрытий показало, что они характеризуются разными механизмами эрозионного разрушения. Можно сделать вывод, что наличие дефектов (пор) в структуре покрытий является основной причиной, способствующей снижению их стойкости против кавитационной эрозии. Таким образом, разработанная методика доказала свою эффективность при получении экспериментальных данных для анализа кавитационного износа металлокерамических газотермических покрытий.

1. Богачев И.Н. Кавитационное разрушение и кавитационно-стойкие сплавы. М.: Металлургия, 1972. Bogachev I.N. Cavitation damage and cavitation-resistant alloys. Moscow: Metallurgiya, 1972 (In Russ.).

2. Dular M., Delgosha O.C., Petkovšek M. Observations of cavitation erosion pit formation. Ultrason Sonochem. 2013. Vol. 20. P. 1113—1120. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2013.01.011.

3. Plesset M.S., Chapman R.B. Collapse of an initially spherical vapor cavity in the neighborhood of a solid boundary. J. Fluid Mech. 1971. Vol. 47. P. 283—290. DOI: 10.1017/S0022112071001058.

4. Lauterborn W., Bolle H. Experimental investigation of cavitation bubble collapse in the neighborhood of a solid boundary. J. Fluid Mech. 1975. Vol. 72. P. 391—399. DOI: 10.1017/S0022112075003448.

5. Dular M., Bachert B., Stoffel B., Širok B. Relationship between cavitation structures and cavitation damage. Wear. 2004. Vol. 257. P. 1176—1184. DOI: 10.1016/j.wear.2004.08.004.

6. Brujan E.A., Ikedab T., Matsumoto Y. Shock wave emission from a cloud of bubbles. Soft Mater. 2012. Vol. 8. P. 5777—5783. DOI:10.1039/C2SM25379H.

7. Philipp A., Lauterborn W. Cavitation erosion by single laser-produced bubbles. J. Fluid Mech. 1998. Vol. 361. P. 75—116. DOI: 10.1017/S0022112098008738.

8. Коробов Ю.С., Алван Х.Л., Филиппов М.А., Шумяков В.И., Соболева Н.Н., Сирош В.А., Эстемирова С.Х., Макаров А.В. Сравнение кавитационной стойкости наплавленного металла со структурой метастабильного и стабильного аустенита. Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. 2020. Т. 22. No. 4. С. 33—41. DOI: 10.15593/2224-9877/2020.4.05.

9. Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Сытченко А.Д., Левашов E.А. Сравнительное исследование электроискровых покрытий, полученных с использованием электродов TiC—NiCr и TiC—NiCr—Eu2O3. Известия вузов. Цветная металлургия. 2019. No. 5. С. 67—78. DOI: 10.17073/0021-3438-2019-5-67-78.

10. Князева Ж.В., Юдин П.Е., Петров С.С., Максимук А.В. Применение металлизационных покрытий для защиты погружных электродвигателей насосного оборудования от воздействия осложняющих факторов в нефтяных скважинах. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2020. No. 1. С. 75—86. DOI: 10.17073/1997-308X-2020-75-86.

11. Бирюков В.П., Базлова Т.А. Экспериментальное и расчетное определения коэффициента износостойкости покрытий с добавками нанодисперсных частиц карбидов при лазерной наплавке. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2020. No. 2. С. 73—80. DOI: 10.17073/1997-308X-2020-2-73-80.

12. Korobov Yu.S., Alwan H.L., Filippov M.A., Soboleva N.N., Alani I.A., Estemirova S.H., Makarov A.V. The effect of martensitic transformation on the cavitation erosion resistance of a TIG-deposited Fe—Cr—C—Al—Ti layer. Surf. Coat. Technol. 2021. Art. 127391. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2021.127391.

13. Kumar R.K., Kamaraj M., Seetharamu S., Pramod T., Sampathkumaran P. Effect of spray particle velocity on cavitation erosion resistance characteristics of HVOF and HVAF processed 86WC—10Co4Cr hydro turbine coatings. J. Therm. Spray Technol. 2016. Vol. 25. P. 1217—1230. DOI: 10.1007/s11666-016-0427-3.

14. Alwan H.L., Korobov Yu.S., Soboleva N.N., Lezhnin N.V., Makarov A.V., Deviatiarov M.S. Study of cavitation erosion—corrosion resistance of thermally sprayed Ni— based coatings prepared by HVAF process. Solid State Phenom. 2020. Vol. 299. P. 893—901. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.299.893.

15. Wang Q., Tang Z., Cha L. Cavitation and sand slurry erosion resistances of WC—10Co—4Cr coatings. J. Mater. Eng. Perform. 2015. Vol. 24. P. 2435—2443. DOI: 10.1007/s11665-015-1496-z.

16. Wu Y., Hong S., Zhang J., Zhihua H., Wenmin G., Qian W., GaiE Li. Microstructure and cavitation erosion behavior of WC—Co—Cr coating on 1Cr18Ni9Ti stainless steel by HVOF thermal spraying. Int. J. Refract. Hard Met. 2012. Vol. 32. P. 21—26. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2012.01.002.

17. Toma D., Brandl W., Marginean G. Wear and corrosion behaviour of thermally sprayed cermet coatings. Surf. Coat. Technol. 2001. Vol. 138. P. 149—158. DOI:10.1016/S0257-8972(00)01141-5.

18. Berger L.-M. Binary WC- and Cr3C2-containing hardmetal compositions for thermally sprayed coatings. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2016. Vol. 118. P. 012010.

19. Ding Z-X., Chen W., Wang Q. Resistance of cavitation erosion of multimodal WC—12Co coatings sprayed by HVOF. J. Nonferr. Metal. Soc. 2011. Vol. 21. P. 2231—2236. DOI: 10.1016/S1003-6326(11)61000-5.

20. Hong S., Wu Y., Zhang J., Zheng Yu., Zheng Y., Lin J. Synergistic effect of ultrasonic cavitation erosion and corrosion of WC—CoCr and FeCrSiBMn coatings prepared by HVOF spraying. Ultrason Sonochem. 2016. Vol. 31. P. 563—569. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2016.02.011.

21. Souza V.A.D. Neville A. Linking electrochemical corrosion behaviour and corrosion mechanisms of thermal spray cermet coatings (WC—CrNi and WC/CrC—CoCr). Mater. Sci. Eng. 2003. Vol. A352. P. 202—211. DOI:10.1016/S0921-5093(02)00888-2.

22. Espallargas N., Berget J., Guilemany J.M., Benedetti A.V., Suegama P.H. Cr3C2—NiCr and WC—Ni thermal spray coatings as alternatives to hard chromium for erosion— corrosion resistance. Surf. Coat. Technol. 2008. Vol. 202. P. 1405—1417. DOI:10.1016/j.surfcoat.2007.06.048.

23. Ding X., Cheng X.-D., Yuan C.-Q., Shi J., Ding Z.-X. Structure of micro-nano WC—10Co4Cr coating and cavitation erosion resistance in NaCl solution. Chin. J. Mech. Eng. 2017. Vol. 30. P. 1239—1247. DOI:10.1007/s10033-017-0162-9.

24. Шумяков В.И., Коробов Ю.С., Алван Х.Л., Лежнин Н.В., Макаров А.В., Девятьяров М.С. Установка для испытаний на кавитационную эрозию: Пат. 2710480 (РФ). Заяв. No. 2018130210 (20.08.2018). Опубл. 26.12.2019. Бюл. No. 36.

25. ASTM, Standard Test Method for Cavitation Erosion Using Vibratory Apparatus. G 32 — 10. 2011. P. 1—19.

26. Zhang S., Gao G., Zhu H., Cai L., Jiang X., Lu S., Duan F., Dong W., Chai Y., Du M. In situ interfacial engineering of nickel tungsten carbide Janus structures for highly efficient overall water splitting. Sci. Bulletin. 2020. Vol. 65. P. 640—650. DOI: 10.1016/j.scib.2020.02.003.

27. Sugiyama K., Nakahama S., Hattori S., Nakano K. Slurry wear and cavitation erosion of thermal-sprayed cermets. Wear. 2005. Vol. 258. P. 768—775. DOI: 10.1016/j.wear.2004.09.006.