Degradacja powłok CrN osadzonych na stalowe podłoża w warunkach oddziaływania kawitacji

• Autorzy: Krella A.

Warianty tytułu

EN

Degradation of CrN coatings deposited on steel substrates under cavitation attack

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Niszczenie kawitacyjne (erozja kawitacyjna) polega na degradacji materiału w wyniku implozji pęcherzyków kawitacyjnych znajdujących się w bezpośredniej styczności lub w pobliżu ciała stałego. Umacnianie warstwy wierzchniej i/lub nakładanie warstw ochronnych są znaną metodą zwiększania wytrzymałości i żywotności elementów konstrukcyjnych. Powłoki CrN charakteryzują się dużą twardością, małym współczynnikiem tarcia, odpornością na utlenianie do 750°C oraz dużą odpornością korozyjną. Badania odporności kawitacyjnej wykazały, że powłoki CrN mają również dobre własności ochronne na tego typu niszczenie zarówno w słodkiej wodzie, jak i w wodzie morskiej. Powłoki CrN osadzano metodą ARC PVD na stal austenityczną X6CrNiTi18-10 i martenzytyczną X39Cr13 poddaną różnym obróbkom cieplnym w celu uzyskania podłoży o zróżnicowanych twardościach. Przeprowadzone badania odporności na niszczenie kawitacyjne wykazały, że osadzenie powłok CrN, niezależnie od ich grubości, przyczyniło się do zmniejszenia całkowitego ubytku masy w porównaniu z ubytkami masy stalowych próbek bez powłok. Niemniej zwiększenie grubości tych powłok zmniejsza pozytywny efekt osadzenia powłok CrN. Mikroskopowa analiza uszkodzeń (rys. 2-4) wykazała, że systemy z powłokami CrN o grubości 4 um uległy mikropofalowaniu. Stopień pofalowania powłoki był zróżnicowany w zależności od podłoża. Zwiększenie grubości powłok CrN skutkowało zanikiem mikropofalowania (rys. 5). Konsekwencją większej grubości jest wzrost sztywności powłok oraz większa amplituda impulsu kawitacyjnego konieczna do spowodowania odkształcenia powłoki CrN, co wpływa na mechanizm degradacji powłok. W pracy ponadto pozytywnie oceniono wskaźnik RCAV wyprowadzony W pracy [13].

EN

Cavitation degradation (cavitation erosion) is caused by repeated attack of cavitation impulses. Hardening of the surface layer of conventional materials or the deposition of protective coatings is a well-known way of increasing the strength and reliability of working elements. CrN coatings possess high hardness, a low friction coefficient, oxidation resistance up to 750°C and excellent corrosion resistance. Investigations of the cavitation erosion of CrN coatings showed that these coatings also possess good protection properties against this kind of degradation in both tap water and sea water. The CrN coatings were deposited by means of the ARC PVD method. Substrates made of X6CrNiTi18-10 austenitic steel and X39Cr1 3 martensitic steel underwent different thermal treating in order to obtain various substrate hardnesses. The performed investigations showed that the deposition of CrN coatings improved the cavitation resistance despite their thickness (Fig. 1). The mass loss of the CrN-stainless steel systems was less than that of the uncoated steels. The increase in coating thickness lessens the positive effects of the deposition of CrN coatings. Microscopic analysis showed that systems with 4 um thick CrN coatings underwent microfolding (Fig. 2-4). The level of microfolding Was related to the substrate hardness. The increase in coating thickness results in the disappearance of microfolding (Fig. 5). The consequence of the coating thickness increase is an increase in CrN coating stiffness and of the amplitude of cavitation pulses necessary to cause coating deformation. The increase in cavitation pulse amplitude influences the degradation mechanism. Moreover, in this paper the cavitation resistance parameter RCAV derived in Ref. [13] Was positively verified.

Słowa kluczowe

PL

powłoka CrN; Arc-PVD; erozja kawitacyjna

EN

CrN coating; Arc PVD method; cavitation erosion

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 2
• Strony: 110--115
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Krella A.

• Instytut Maszyn Przepływowych im. R. Szewalskiego, PAN, Gdańsk

Bibliografia

• [1] Fortes Patella R., Reboud J-L.: A new approach to evaluate the cavitation erosion power. J. Fluids Eng., Trans. ASME 120 (1998) 335+344.
• [2] Philipp A., Lauterbom W.: Cavitation erosion by single laser-produced bubbles. J. Fluid Mech. 361 (1998) 75+116.
• [3] Hammitt F. G.: Cavitation and multiphase fiow phenomena. McGraw-Hill Inc. (1980).
• [4] Suslick K. S., Didenko Y., Fang M. M., Hyeon T., Kolbeck K. J., Mc- Namaralll W. B., Mdleleni M. M., Wong M.: Acoustic cavitation and its chemical consequences. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 357 (1999) 335+353.
• [5] Krella A., Steller J.: Obciążenie kawitacyjne na stanowisku ze szczelinowym wzbudnikiem kawitacji. Problemy Eksploatacji 76/1 (2010) 71+82.
• [6] Rebholz C., Ziegele H., Leyland A., Matthews A.: Structure, mechanical and tribological properties ofnitrogen-containing chromium coatings prepared by reactive magnetron sputtering. Surf. Coat. Technol. 115 (1999) 222+229.
• [7] Krella A., Czyżniewski A.: Cavitation resistance of Cr-N coatings deposited on austenitic stainless steel at various temperature. Wear 266 (2009) 800+809.
• [8] Grant W. K., Loomis C., Moore J. J., Olson D. L., Mishra B., Perry A. J.: Characterization of hard chromium nitride coatings deposited by cathodic arc vapour deposition. Surface & Coating Technology 86-87 (1996) 788+796.
• [9] Navinšek B., Panjan P., Cvelbar A.: Characterization of low temperature CrN and TiN (PVD) hard coatings. Surf. Coat. Technol. 74-75 (1995) 155+161.
• [10] Bertrand G., Mahdjoub H., Meunier C.: A study of the corrosion behavior and protective quality of sputtered chromium nitride coatings. Surf. Coat. Technol. 126 (2000) 199+209.
• [11] Han S., Lin J. H., Kuo J. J., He J. L., Shih H. C.: The cavitation-erosion phenomenon of chromium nitride coatings deposited using cathodic arc plasma deposition on steel. Surf. Coat. Technol. 161 (2002) 20+25.
• [12] Krella A.: Cavitation resistance of TiN nanocrystalline coatings with various thickness. Advances in Materials Science 9 (2009) 12+24.
• [13] Krella A.: The new parameter to assess cavitation erosion resistance of hard PVD coatings. Engineering Failure Analysis 18 (2011) 855+867.
• [14] Czyżniewski A., Krella A.: Wytwarzanie i właściwości powłok TiN i CrN w zastosowaniu do ograniczenia zużycia elementów maszyn przez kawitację. Inżynieria Materiałowa 3/ 151 (2006) 360+3 63.
• [15] Tjong S. C., Chen H.: Nanocrystalline materials and coatings. Materials Science and Engineering R 45 (2004) 1+88.
• [16] Puchi-Cabrera E. S., Matinez F., Herrera I., Berrios J. A., Dixit S., Bhat D.: On the fatigue behaviour of an AISI 316L stainess steel coated with a PVD TiN deposit. Surface & Coatings Technology 182 (2004) 276+286.
• [17] Ma L. W., Cairney J. M., Hoffman M., Munroe P. R.: Deformation mechanisms operating during nanoindentation of TiN coatings on steel substrates. Surface and Coatings Technology 192 (2005) 11+18.
• [18] Krella A.: Cavitation degradation model of hard thin PVD coatings. Advances in Materials Science 10 (3) (25) (2010) 27+36.
• [19] Brennen Ch. E.: Cavitation and bubble dynamics. Oxford University Press 1995.
• [20] Krella A.: Mechanizmy odkształcenia materiałów nanostrukturalnych. Inżynieria Materiałowa 5 (2011) 844+850.
• [21] Szlufarska I., Nakano A., Vashishta P.: A crossover in the mechanical response of nanocrystalline ceramics. Science 309 (2005) 911+913.