Ученые предложили эффективные способы борьбы с кавитационным разрушением металлов

09:05, 17 сентября 2021

Разработки будут использованы для защиты деталей багдадской электростанции

Виды эрозии металла. Фото: Journal of Thermal Spray Technology.

Покрытие WC-20CrC-7Ni отличается высокой антикавитационной устойчивостью, установил международный коллектив ученых из Института физики металлов УрО РАН и Уральского федерального университета при участии коллег из Эстонии и Ирака. Следовательно, обработка данным покрытием разнообразных механизмов, работающих в водной среде, может продлить срок их производительной службы, обеспечить снижение материальных потерь, повысить надежность и безопасность эксплуатации. Статью с описанием исследований и их результатов соавторы опубликовали в Journal of Thermal Spray Technology.

«Поведение WC-20CrC-7Ni при кавитации мы сравнили с реакцией на аналогичное воздействие другого покрытия, с присутствием кобальта — WC-10Co4Cr. Оказалось, что антикавитационная устойчивость WC-20CrC-7Ni существенно выше: на стали, покрытой слоем WC-CrC-7Ni, зона повреждений в два-три раза меньше, а сами деформации меньше на порядок. Разницу мы объяснили характерными особенностями WC-20CrC-7Ni — высоким содержанием хрома и никеля, более однородной и плоской мелкозернистой структурой материала, большей пластичностью матрицы на основе никеля, практически полным отсутствием пор и меньшей шероховатостью поверхности покрытия после напыления. Кроме того, тонкая структура WC-CrC-Ni увеличивает удельную поверхность карбидных частиц, поэтому для образования трещин требуется дополнительная энергия», — рассказывает Юрий Коробов, главный научный сотрудник ИФМ УрО РАН, профессор кафедры технологии сварочного производства УрФУ.

Другой способ повышения кавитационной стойкости стали описан научным коллективом в журнале Surface and Coatings Technology. В свое время предшественники ученых из ИФМ УрО РАН и УрФУ академик Виссарион Садовский, профессора Иван Богачев и Михаил Разиков установили: если в стали присутствует такой компонент, как нестабильный или метастабильный аустенит, то при сильном нагружении он преобразуется в мартенсит, самое прочное состояние. Это сопровождается увеличением твердости, изменением напряженного состояния и рассеянием энергии внешнего воздействия на превращение аустенита в мартенсит. Все эти явления, влияя друг на друга, преобразуют сталь настолько эффективно, что она гораздо легче переносит последующие удары.

«Наш исследовательский коллектив применил описанный эффект к разработке оригинальной порошковой проволоки типа Fe-Cr-C-Al-Ti, на которую Уральский федеральный университет имеет патент. Наплавленный слой из проволоки мы испытали на стойкость против кавитации. Уже через час фаза мартенсита составляла почти половину объема слоя, а через три часа — без малого три четверти. Затем процесс превращения аустенита в мартенсит остановился, но твердость образца продолжала нарастать. По завершении испытаний слой не получил серьезных повреждений, „отделавшись“ небольшим количеством трещин и незначительным увеличением шероховатости на поверхности», — сообщает Юрий Коробов.

Сплав продемонстрировал максимальное антикавитационное сопротивление — в четыре раза выше, чем у другого покрытия, и в 10 раз — чем у контрольного образца нержавеющей стали, характерного материала для рабочего колеса насоса. По диапазону, надежности и точности измерений установка превосходит зарубежные аналоги.

«С помощью этой установки мы провели оценку стойкости типовых кавитационностойких материалов: высокохромистых сталей, метастабильно- и стабильноаустенитных сталей, металломатричных композитов с карбидами хрома и вольфрама. На основе металлографических, рентгеноструктурных и фазовых исследований, профилометрии и сканирующей электронной микроскопии поверхности проанализированы причины различия кавитационной стойкости как перечисленных сплошных материалов, так и покрытий из них, полученных современными способами наплавки, дуговой металлизации и сверхзвукового газовоздушного напыления», — добавляет Юрий Коробов.

Профессор Коробов подчеркивает: комплексная работа международного исследовательского коллектива по повышению кавитационной стойкости стали с самого начала была нацелена на достижение практических результатов. Достигнут первый из них. Благодаря участию в деятельности группы аспиранта из Ирака Хуссама Лефты Алвана, проходящего обучение в УрФУ по межправительственному соглашению, есть договоренность об использовании разработок для защиты от кавитации деталей одной из электростанции иракской столицы — Багдада.

Справка

Специфический вид износа — кавитационный — возникает при движении в высокоскоростных жидких средах. При кавитации (образовании пузырьков и полостей) происходит резкая смена давления. Это сопровождается разогревом газа внутри пузырьков до 1500 °C, ударными волнами высокого давления (до 1500 мегапаскалей) и выделением микроструй жидкости, скорость которых может достигать нескольких сотен метров в секунду. Разрушительные последствия кавитации заметно сказываются на состоянии ответственных деталей оборудования в энергетике, металлургии, судостроении (лопатки гидротурбин, рабочие колеса насосов, клапаны, гребные винты морских судов и т. д.).