The comparison of cavitation resistance of laser metal deposited layers

• Autorzy: Płatek Karolina , Łatka Leszek , Wyględacz Bernard , Szala Mirosław , Górnik Monika , Czupryński Artur

Identyfikatory

DOI

10.32730/mswt.2023.67.5-6.4

Warianty tytułu

PL

Porównanie odporności kawitacyjnej warstw napawanych plazmowo proszkowo

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Cavitation erosion is a specific case of wear, primarily affecting elements exposed to a watery environment, e.g. elements of pumps, valves and compression-ignition engines. Nickel-based alloys are regarded as materials of potentially high cavitation erosion resistance. The study discussed in the article involved the examination of cavitation erosion resistance of hardfacing layers made of NiCrBSi and NiCrBSi + 35 % wt. WC, deposited using the PPTAW method. Resistance to cavitation erosion was tested in accordance with the ASTM G-32 standard. The test results were subsequently compared with those obtained in relation to layers made of powders, the composition of which corresponded to stainless steel X5CrNiMo17-12-2 (used as a reference material). The results revealed that both nickel-based materials were characterised by significantly higher erosion resistance than that of the reference steel. The mean depth of the reference erosion of overlay welds made using X5CrNiMo17-12-2 amounted to 28.72 μm, whereas the depth of erosion in the hardfacing layers made of NiCrBSi and NiCrBSi + 35 % wt. WC amounted to 7.19 μm and 6.92 μm respectively. The above-presented differences resulted from the significantly higher hardness and plastic strain resistance of the nickel-based overlay welds than those of the steel overlay weld. It was also observed that, in spite of their higher hardness, the layers made of NiCrBSi + 35 % wt. WC were characterised by lower cavitation erosion resistance than the layers made of NiCrBSi (which could be ascribed to the chipping of the hardening phase).

PL

Erozja kawitacyjna to szczególny przypadek zużycia, na jaki narażone są elementy pracujące w środowisku wodnym, takie jak: elementy pomp, zaworów i silników wysokoprężnych. Materiałami o potencjalnie wysokiej odporności na erozję kawitacyjną są stopy na osnowie niklu. W pracy badaniu poddano warstwy napawane metodą PPTAW ze stopów NiCrBSi oraz NiCrBSi z dodatkiem 35% wag. węglika wolframu. Odporność na erozję kawitacyjną była badana zgodnie z normą ASTM G-32, a uzyskane wyniki porównano z wynikami otrzymanymi dla warstw wykonanych z proszków o składzie chemicznym odpowiadającym stali nierdzewnej X5CrNiMo17-12-2, pełniących rolę materiału referencyjnego. Wyniki badań wykazały, iż zaproponowane materiały wykazują zdecydowanie wyższą odporność na erozję kawitacyjną, tj. średnia głębokość erozji referencyjnych napoin X5CrNiMo17-12-2 po 6 godzinach wyniosła 28,72 μm, podczas gdy napoiny NiCrBSi oraz NiCrBSi + 35% wag. WC uzyskały odpowiednio 7,19 μm i 6,92 μm, co wynika ze znacznie wyższej twardości oraz odporności na odkształcenie plastyczne napoin niklowych w porównaniu z napoiną stalową. Ponadto zaobserwowano, iż mimo wyższej twardości, warstwy NiCrBSi + 35% wag. WC odznaczają się niższą odpornością kawitacyjną od warstw NiCrBSi, co najprawdopodobniej wynika z wykruszania fazy umacniającej.

Słowa kluczowe

EN

plasma hardfacing; powders; metallic layers; cermet layers; cavitation erosion resistance

PL

napawanie plazmowe; proszki; warstwy metaliczne; odporność na erozję kawitacyjną; cermet; cermetal; spiek ceramiczno-metalowy

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Górnośląski Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Materials Science and Welding Technologies / Technologie Materiałowe i Spawalnicze
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 67, No. 5-6
• Strony: art. no. 4
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Płatek Karolina

• Wrocław University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Chair of Plastic Processing, Welding and Metrology [Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny, Katedra Obróbki Plastycznej, Spawalnictwa i Metrologii]

• https://orcid.org/0009-0007-5275-4153

autor

Łatka Leszek

• Wrocław University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Chair of Plastic Processing, Welding and Metrology [Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny, Katedra Obróbki Plastycznej, Spawalnictwa i Metrologii]

• https://orcid.org/0000-0002-5236-5349

autor

Wyględacz Bernard

• Silesian University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Welding [Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Katedra Spawalnictwa]

• https://orcid.org/0000-0001-9038-1721

autor

Szala Mirosław

• Lublin University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Materials Engineering [Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Inżynierii Materiałowej]

• https://orcid.org/0000-0003-1059-8854

autor

Górnik Monika

• Wrocław University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Chair of Plastic Processing, Welding and Metrology [Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny, Katedra Obróbki Plastycznej, Spawalnictwa i Metrologii]

autor

Czupryński Artur

• Silesian University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Welding [Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Katedra Spawalnictwa]

Bibliografia

• [1] Steller J., Krella A.: Ocena odporności kawitacyjnej materiałów metodą frakcyjną. Problemy Eksploatacji, 2006, vol. 1, pp. 209-225.
• [2] Krella A., Zakrzewska D.: Cavitation erosion – phenomena and test rigs. Advances in Material Science, 2018, vol. 18, no. 2, pp. 15-27.
• [3] Heymann F.: Erosion by Cavitation or Impingement, ASTM, 1967.
• [4] Krella A.: Degradation and Protection of Materials from Cavitation Erosion: A Review. Materials, 2023, vol. 16, no. 5, no. art. 2058.
• [5] Mann B., Arya V.: An experimental study to correlate water jet impingement erosion resistance and properties of metallic materials and coatings. Wear, 2002, vol. 253, pp. 650-661.
• [6] Hammit F.: Cavitation and multiphase flow phenomena, McGraw-Hill International Book Co., New York 1980.
• [7] Zakrzewska D., Krella A.: Cavitation erosion resistance influence of material properties. Advances in Material Science, 2019, vol. 19, no. 4, pp. 18-34.
• [8] Szala M., Walczak M., Hejwowski T.: Factors Influencing Cavitation Erosion of NiCrSiB Hardfacings Deposited by Oxy-Acetylene Powder Welding on Grey Cast Iron. Advances in Science and Technology Research Journal, 2021, vol. 15, no. 4, pp. 376-386.
• [9] Klimpel A.: Industrial surfacing and hardfacing technology, fundamentals and applications, Welding Technology Review, 2019, vol. 91, no. 12, pp. 33-42.
• [10] Findik F.: Laser cladding and applications. Sustainable Engineering and Innovation, 2023, vol. 5, no. 1, pp. 1-14.
• [11] Cardoso A., Assunção E., Pires I.: Study of a hardfacing flux-cored wire for arc directed energy deposition applications. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2022, vol. 118, no. 9-10.
• [12] Szala M., Hejwowski T.: Cavitation erosion resistance of high-alloyed Fe-based weld hardfacings deposited via SMAW method. Tribologia, 2022, vol. 302, no. 4, pp. 85-94.
• [13] Łatka L., Biskup P.: Development in PTA Surface Modifications – A Review. Advances in Materials Science, 2020, vol. 20, no. 2.
• [14] Górka J., Czupryński A., Kik T., Melcer M.: Przemysłowe aplikacje napawania plazmowego proszkowego. Przegląd Spawalnictwa 2011, vol. 83, no. 9, pp. 87-94.
• [15] Klimpel A., Janicki D., Lisiecki A., Wilk Z., Burda M., Klimpel A.St.: Plasma welding repair procedure for turbine jet apparatus rings in aircraft engines. Welding International, 2014, vol. 28, no. 6.
• [16] Kik T., Górka J., Czupryński A., Martyniszyn A.: Napawanie krawędzi przedmiotów metodami TIG i PTA. Przegląd Spawalnictwa, 2011, vol. 83, no. 9, pp. 79-86.
• [17] Smoleńska H., Kończewicz W., Łabanowski J.: Regeneracja zaworów silników okrętowych metodą napawania plazmowego. Przegląd Spawalnictwa, 2011, vol. 9, pp. 73-78.
• [18] Czupryński A., Kik T., Melcer M.: Porównanie odporności na zużycie ścierne płyt trudnościeralnych. Przegląd Spawalnictwa, 2018, vol. 90, no. 5, pp. 28-37.
• [19] Zakrzewska D., Buszko M., Marchewicz A., Krella A.: Concept of cavitation erosion assessment of austenitic 1.4301 stainless steel based on roughness development. Tribology International, 2023, vol. 183.
• [20] Ding H., Tang Q., Zhu Y., Zhang C., Yang H.: Cavitation erosion resistance of 316L stainless steel fabricated using selective laser melting, Friction, 2021, vol. 9, pp. 1580-1598.
• [21] Szala M., Łatka L., Walczak M., Winnicki M.: Comparative Study on the Cavitation Erosion and Sliding Wear of Cold-Sprayed Al/Al2O3 and Cu/Al2O3 Coatings and Stainless Steel, Aluminium Alloy, Copper and Brass. Metals, 2020, vol. 10, no. 7.
• [22] Rachidi R., El Kihel B., Delaunois F.: Microstructure and mechanical characterization of NiCrBSi alloy and NiCrBSi-WC composite coatings produced by flame spraying. Materials Science and Engineering: B, 2019, vol. 241, no. 2, pp. 13-21.
• [23] Guo H., Li B., Lu C., Zhou Q., Jia J.: Effect of WC–Co content on the microstructure and properties of NiCrBSi composite coatings fabricated by supersonic plasma spraying. Journal of Alloys and Compounds, 2019, vol. 789, no. 2, pp. 966-975.
• [24] Guo C., Zhou J., Chen J., Zhao J., Yu Y., Zhou H.: High temperature wear resistance of laser cladding NiCrBSi and NiCrBSi/WC-Ni composite coatings. Wear, 2011, vol. 270, no. 7-8, pp. 492-498.
• [25] Daroonparvar M., Ciubotariu C.-R., Frunzaverde D., Marginean G.: Investigations of Cavitation Erosion and Corrosion Behavior of Flame-Sprayed NiCrBSi/WC-12Co Composite Coatings. Materials, 2022, vol. 15, no. 2943.
• [26] Zhang H.F., Zhang C.H., Wang Z.Y., Cui X., Zhang S., Chen H.T.: Microstructure and corrosion behaviour of WC/ NiCrBSi coatings by vacuum cladding. Materials Science and Technology, 2022, no. 1, pp. 19-29.
• [27] EN 10025-european standards for structural steel, 2019.
• [28] PN-EN ISO 14175: Materiały dodatkowe do spawania − Gazy i mieszaniny gazów do spawania i procesów pokrewnych, 2009.
• [29] ISO 6507-1 – Metallic materials − Vickers hardness test − Part 1: Test method, 2005.
• [30] ASTM G32-16: Standard Test Method for Cavitation Erosion Using Vibratory Apparatus, ASTM, 2021.
• [31] Appiah A.N.S., Bialas O., Żuk M., Czupryński A., Konadu D., Adamiak M.: Hardfacing of mild steel with wear-resistant Ni-based powders containing tungsten carbide particles using powder plasma transferred arc welding technology. Materials Science – Poland, 2022, vol. 40, no. 3, pp. 42-63.
• [32] Prass G.S., d’Oliveira A.S.: Processing and characterization of AISI 316L coatings modified with Cu and CuO nanoparticles. Surface and Coatings Technology, 2023, vol. 461.
• [33] Zhou Y., Zhang J., Xing Z., Wang H., Lv Z.: Microstructure and properties of NiCrBSi coating by plasma cladding on gray cast iron. Surface and Coatings Technology, 2019, vol. 361, pp. 270-279.
• [34] Fernandes F., Polcar T., Loureiro A., Cavaleiro A.: Effect of the substrate dilution on the room and high temperature tribological behaviour of Ni-based coatings deposited by PTA on grey cast iron. Surface and Coatings Technology, 2015, vol. 281, pp. 11-19.
• [35] Hussain P., Mahmoud H., Basha S., Mohamad M.A.: Correlation between microstructure and micro-hardness of 316L nitrided austenitic stainless steel. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 863, 2020.