Full Text

Введение Кавитация - одна из самых распространенных проблем, оказывающих серьезное влияние на эксплуатацию и живучесть компонентов, работающих в водной среде, таких как гидротурбины, краны, насосы и корабельные винты [1, 2]. Движение твердого тела в потоке жидкости с высокой относительной скоростью приводит к быстрым изменениям давления при температуре окружающей среды, что вызывает формирование микропузырьков в жидкости. Источником разрушения является повторяющееся резкое взрывание пузырьков вблизи поверхности детали. Взрывание пузырьков может вызывать ударные волны и высокоскоростные микроструи жидкости. Таким образом, разрушение может быть результатом как совместного воздействия этих факторов, так и по отдельности. Такое воздействие коллапсирующих пузырей в течение длительного времени способно вызвать износ поверхности материала, что ведет к разрушению материала и оставляет небольшие впадины и полости на поверхности, подвергшейся действию кавитации [3-9]. Для обеспечения эффективной работы деталей и стойкости к условиям эксплуатации необходимо уделять внимание защите поверхности деталей. Применение покрытия позволяет получить высокую твердость на поверхности за счет, например, металлокерамического покрытия при сохранении допустимого уровня вязкости по сечению детали [10]. Термическое напыление - одна из эффективных технологий, широко используемых для создания износо-, эрозионно- и коррозионно-стойких покрытий в различных отраслях промышленности [11]. Наиболее часто используемыми методами термического напыления твердых покрытий с похожим принципом являются сверхзвуковое газокислородное (HVOF) и сверхзвуковое газовоздушное напыления (HVAF). В последнее время получение покрытий с использованием сжатого воздуха для HVAF вместо чистого кислорода для HVOF позволяет снизить стоимость процесса и содержание кислорода в покрытии [12-14]. А напыление с более низкой температурой пламени и более высокой скоростью частиц порошка позволяет HVAF стать альтернативой методу HVOF [15]. Высокая скорость напыляемых частиц (≈1000 м/с) для HVAF позволяет получить плотные покрытия с низкой пористостью [16, 17]. Существует ряд материалов покрытий, которые могут быть успешно нанесены методом HVAF термического напыления и быть использованы для различного применения. Этим методом можно эффективно наносить покрытия на железной или никелевой основе, имеющие высокую твердость, хорошую износостойкость и коррозионную стойкость [18-21]. Твердые материалы WC и Cr3C2 широко доступны как коммерчески рекомендованный состав порошка для термического нанесения покрытий методом HVAF. Наиболее часто используемые композиции имеют следующие обозначения: WC-12Co, WC-17Co, WC-10Co4Cr, WC-6Co8Cr, WC-20CrC7Ni и Cr3C2-20-25NiCr. Нанесение этих покрытий производится в различных целях, например с целью повышения износостойкости, эрозионной, коррозионной и кавитационной стойкости [12, 17, 22, 23]. В данной работе два вида металлокерамических покрытий (WC-CoCr и WC-NiCr) наносились методом HVAF на основу из стали 40 для сравнения их кавитационной стойкости. Материал WC-CoCr-покрытия соответствовал системе легирования WC-10Co4Cr. Этот состав, в котором добавка хрома улучшает коррозионную и эрозионную стойкость, наиболее часто используется для термического напыления. Кроме того, эти покрытия применяются для повышения износо- и кавитационной стойкости в ряде инженерных задач [12, 17, 22, 24]. Что касается второго покрытия, то здесь использовалась композиция WC-20Ni7Cr. Это менее распространенная, чем WC-10Co4Cr, система легирования для покрытий такого вида. Однако она довольно часто используется в виде Cr3C2-NiCr, особенно для повышения износостойкости. Благодаря высокой коррозионной стойкости NiCr она используется для деталей, работающих в коррозионных средах [25, 26]. Для оценки кавитационной стойкости этих двух покрытий, использованных в данной работе, проводились испытания с колебанием образца с ультразвуковой частотой в жидкой среде (вода) с приложением к нему постоянного напряжения. Это позволило создать суммарный эффект механического и электрохимического воздействия, приводящего к существенному Химический состав материала основы и покрытий (мас. %) Материал подложки (сталь 40) C Si Mn Cu Co S P Другие Fe 0,404 0,283 0,60 0,142 0,0074 <0,001 0,0053 ≈ 0,17 98,4 Покрытие WC-CoCr C Co Cr Fe W Другие 5,34 9,86 4,03 0,08 Основа <0,3 Покрытие WC-NiCr C Ni Cr Fe W Другие 6,34 6,64 20,82 0,12 Основа <0,3 ускорению разрушения по сравнению с действием этих факторов по отдельности. Этот эффект можно назвать эрозионно-коррозионным кавитационным воздействием [27, 28]. Материалы и методы Два типа порошков на WC-основе, а именно WC-CoCr и WC-NiCr, напыляли на основу из среднеуглеродистой стали методом сверхзвукового газовоздушного напыления - HVAF. Дисперсные частицы размером 10-25 мкм использовались для нанесения покрытий толщиной порядка 230 мкм. Химический состав подложки из среднеуглеродистой стали и материалов покрытий WC-CoCr и WC-NiCr представлен в таблице. Образцы для испытаний были изготовлены в соответствии со стандартом ASTM G32-10[1]. На рис. 1 приведены окончательные размеры образца с учетом напыленного слоя. Рис. 1. Внешний вид образца для испытаний на кавитационную стойкость В качестве критерия сравнения двух материалов покрытий были выбраны потери массы в результате кавитационного воздействия в заданных условиях. Образцы крепились на свободном конце волновода ультразвукового инструмента. Режимы испытаний на кавитационную стойкость приведены ниже. Вода использовалась в качестве жидкой среды испытаний. Для усиления кавитационного воздействия и создания комбинации механического и электрохимического воздействия к образцу прикладывалось постоянное напряжение. Во время испытания на кавитационную стойкость вода подавалась снизу через сопло диаметром 6 мм, расположенное вертикально на расстоянии 1-3 мм от поверхности образца. На рис. 2 показан принцип работы экспериментальной установки и характер распределения жидкости во время испытания. Режим испытания на кавитационную стойкость: Частота колебаний.............................. 20 кГц Амплитуда колебаний........................ 20 мкм Мощность ультразвукового генератора............................................. 500 Вт Среда испытания ............................... вода Прикладываемое напряжение ......... 12 В Рис. 2. Принцип работы испытательной установки и характер распределения жидкости в процессе испытания: 1 - волновод; 2 - образец; 3 - струя воды; 4 - сопло для подачи воды Испытуемые образцы шлифуют для получения низкой шероховатости поверхности. Для этих целей использовались шлифовальный круг из кремния для стального образца ст40 и алмазный круг для покрытий. С целью оценки исходного состояния поверхности перед испытаниями на кавитационную стойкость измерялась шероховатость поверхности образцов на оптическом профилометре Wyko NT-1100. Потери массы образцов в результате испытания оценивались с помощью аналитических весов ВЛР-200 с погрешностью 0,5 мг. Общее время испытания на кавитационную стойкость составило 330 мин с разделением на периоды: по 15 мин первые два периода и по 60 мин пять периодов. Перед взвешиванием образцы промывались в ацетоне и сушились горячим воздухом в течение 30 с. Чистка проводилась до и после каждого взвешивания. Результаты и их обсуждение Результаты испытаний на кавитационную стойкость среднеуглеродистой стали и WC-CoCr- и WC-NiCr-покрытий приведены на рис. 3. Кривые на рис. 3 показывают типичный характер кавитационного износа. Во время инкубационного периода в течение ~30 мин материал поглощает энергию без значительной потери массы. На следующем участке угол наклона кривых изменяется, его величина определяет темп потери массы. Рис. 3. Потери массы образцов в зависимости от времени кавитационного воздействия Видно, что оба покрытия показали более высокую кавитационную стойкость по сравнению с основой из среднеуглеродистой стали на базе испытания 330 мин. При этом WC-NiCr-покрытие показало несколько лучший результат по сравнению с WC-CoCr-покрытием в условиях испытаний, использованных в данной работе. Такой результат можно объяснить более высокой твердостью и более высоким содержанием Cr в WC-NiCr-покрытии. Вероятно, это связано со структурно-фазовым составом сформированных покрытий и будет подробно исследовано в дальнейшем. Центральная область поверхности покрытий после испытаний на кавитационную стойкость исследовалась с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) как область наибольшего воздействия кавитации. На рис. 4 представлены результаты СЭМ с поверхности образцов без покрытия и обоих покрытий при увеличении 1000 и 3000. На рисунке хорошо видны темные участки кавитационного разрушения на поверхности основного металла и покрытий. На поверхности основы (см. рис. 4, а) наблюдается более плотное расположение очагов кавитационного разрушения по сравнению с покрытиями. С другой стороны, плотность и размер участков кавитационного разрушения на поверхности WC-NiCr-покрытия (см. рис. 4, в) выглядят значительно меньшими по сравнению с поверхностью WC-CoCr-покрытия (см. рис. 4, б). Межзеренные границы являются местом сосредоточения оксидов, пор и структурных дефектов. Разрушение от внешних воздействий начинается здесь, что приводит к удалению твердых включений карбидов. Изображения, полученные с помощью СЭМ, показывают различие в характере износа WC-CoCr- и WC-NiCr-покрытий. У WC-CoCr-покрытий видна резкая граница между полостями, являющимися местом размещения частиц WC, и матрицей CoCr. У WC-NiCr-покрытий на указанной границе имеется переходный участок. Его наличие указывает на постепенный характер разрушения (см. рис. 4, д, е). Вероятно, часть хрома перешла в твердый раствор, повысив прочность матрицы. Информация о состоянии поверхности и шероховатости материала подложки и двух покрытий получена с использованием построения трехмерных профилей на оптическом профилометре до испытаний на кавитационную стойкость. На рис. 5 представлены 3D-профили поверхности образцов материала основы стали 40, WC-CoCr-покрытия и WC-NiCr-покрытия. Помимо химического состава использованных металлокерамических покрытий, также стоит учитывать влияние шероховатости поверхности на развитие разрушения и потери массы образцов в процессе испытания [29, 30]. Для материалов, испытанных в данной работе, среднее квадратичное отклонение профиля поверхности Ra при одинаковом увеличении составило 0,7 мкм для материала основы, 0,65 мкм для WC-CoCr-покрытия и 0,4 мкм для WC-NiCr-покрытия. В связи с этим на полученные результаты испытаний на кавитационную стойкость также может влиять шероховатость поверхности, так как WC-NiCr-покрытие с минимальной шероховатостью поверхности показало лучшее сопротивление кавитации. Аналогичные результаты были показаны в работе N. Espallargas и др. [25], где обнаружено, что полированная поверхность улучшает эрозионно-коррозионную стойкость термически напыленных покрытий. Таким образом, более низкая шероховатость приводит к меньшим потерям массы. Рис. 4. SEM-изображения поверхности стали 40 (а, г), WC-CoCr-покрытия (б, д) и WC-NiCr-покрытия (в, е) при увеличении 1000 и 3000 а б в Рис. 5. 3D-профили и значения шероховатости поверхности образцов до испытания: а - сталь 40; б - WC-CoCr- и в - WC-NiCr-покрытия Выводы Проведены сравнительные испытания на эрозионно-коррозионную стойкость в условиях кавитационного воздействия металлокерамических покрытий на основе WC-CoCr и WC-NiCr, нанесенных методом сверхзвукового газовоздушного напыления на подложку из стали 40. На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы: - оба покрытия показали более высокое сопротивление кавитации по сравнению со сталью 40 в течение всего времени испытания (330 мин). Общие потери массы образцов с покрытиями WC-NiCr и WC-CoCr относительно исходной массы образца составили 0,66 и 0,82 % соответственно; - методом SEM показано, что WC-NiCr-покрытие в результате испытания имеет меньшие плотность и размер очагов кавитационного разрушения по сравнению с WC-CoCr-покрытием. Таким образом, WC-NiCr-покрытие показало лучшую эрозионно-коррозионную стойкость по сравнению с WC-CoCr-покрытием; - наиболее вероятной причиной повышенной кавитационной стойкости WC-NiCr-покрытия по сравнению с WC-CoCr-покрытием является большая прочность NiCr-матрицы, что улучшает закрепление в ней частиц WC, обеспечивающих сопротивление внешнему кавитационному воздействию; - сверхзвуковое газовоздушное напыление является эффективным способом нанесения WC-NiCr- и WC-CoCr-покрытий. Это приводит к улучшению стали 40 в 2,3 и 1,8 раза путем нанесения покрытий WC-NiCr и WC-CoCr соответственно.

About the authors

Yu. S Korobov

Ural Federal University UrFU named after the first President of Russia B.N. Yeltsin; Institute of Metal Physics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

H. L Alwan

Ural Federal University UrFU named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

M. Barbosa

IWS Fraunhofer

N. V Lezhnin

Institute of Metal Physics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

N. N Soboleva

Ural Federal University UrFU named after the first President of Russia B.N. Yeltsin; Institute of Engineering Science, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

A. V Makarov

Ural Federal University UrFU named after the first President of Russia B.N. Yeltsin; Institute of Metal Physics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; Institute of Engineering Science, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

M. S Deviatiarov

Ural Welding Institute-Metallurgy

A. Yu Davydov

Ural Federal University UrFU named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

References

Statistics

Views

Abstract - 114

PDF (Russian) - 57

Refbacks

• There are currently no refbacks.