Study of Cavitation Erosion Process to Evaluate the Integrity of WC Composites Obtained by Powder Metallurgy.

Abstract

One of the typical causes of degradation of machinery components in a fluid flow is the cavitation-erosion [1]. Component failure is caused by material removal due to exposure to the repetitive implosion of air bubbles called cavities to the component’s surface [2]. Cavitation-erosion is a phenomenon of complex nature, which includes properties and hydrodynamic factors of liquid, as well as properties of the solid body exposed to the cavitation erosion as microstructure, surface properties as hardness, and properties of bulk material as density, Young modulus, etc.Design and definition of service parameters of many machinery components such as water turbines’ blades, control valves, curved sections of pipelines, rotors of centrifugal pumps, etc. exposed to cavitation effect require well-defined test methods to evaluate cavitation-erosion and estimate cavitation-erosion resistance properties of materials. Several test methods based on cavitation-erosion were developed for these purposes, results are used for the evaluation of cavitation-erosion resistance of specific materials. The objective of undertaken work is the cavitation-erosion resistance calculation of several sintered composites and improvement of existing cavitation-erosion testing method. Suggested method could be used for quality assessment of composed material and different manufacturing method, for example comparison of sintered components and components produced by additive manufacturing using the same material composition. The alternative method of additive manufacturing still raises many problems due to the typical defects such as undesired porosity and cracking, which potentially have a significant effect on cavitation-erosion resistance of the material.In the present research work, cavitation-erosion resistance of the following material produced with conventional powder metallurgy method has been analyzed: WC-Co, WC-Ni, WC-CoNi, WC-CoCr, WC-NiCr, WC-CoNiCr and WC-NiCrMo. The comparison of materials’ cavitation-erosion resistance values let us choose the best material in relation to resistance to cavitation erosion, comparison of different binders reveal different erosion mechanisms, what also provides the data for further comparison with additive manufactured material with the same composition.

Uma das causas típicas de degradação de componentes de máquinas em um fluxo de fluido é a erosão provocada por cavitação [1]. A falha do componente é causada pela remoção de material devido à exposição à implosão repetitiva de bolhas de ar chamadas cavidades na superfície do componente [2].O objetivo do trabalho realizado é o cálculo da resistência à erosão por cavitação de vários compósitos sinterizados e melhoria do método de teste de erosão por cavitação existente. O método sugerido pode ser usado para avaliação de qualidade de material composto e método de fabricação diferente, por exemplo, comparação de componentes sinterizados e componentes produzidos por manufatura aditiva usando a mesma composição de material. O método alternativo de manufatura aditiva ainda gera muitos problemas devido aos defeitos típicos, como porosidade indesejada e trincas, que potencialmente têm um efeito significativo na resistência à erosão por cavitação do material.Na presente pesquisa, foi analisada a resistência à erosão por cavitação dos seguintes materiais produzidos pelo método convencional da metalurgia do pó: WC-Co, WC-Ni, WC-CoNi, WC-CoCr, WC-NiCr, WC-CoNiCr e WC-NiCrMo. Uma comparação de diferentes ligantes revela mecanismos de erosão semelhantes com taxas de erosão significativamente diferentes, o que também fornece dados para comparação posterior com material fabricado aditivado com a mesma composição.Verificou-se que os compósitos à base de WC com ligantes à base de cromio e níquel, proporcionaram maior resistência à erosão por cavitação em comparação com ligantes à base de cobalto e molibdênio. Constatou-se também que o ligante de cobalto mais utilizado fornece o menor valor de resistência à cavitação-erosão da ordem de 2.82e-3 mm3/hora, e o desempenho de outros compósitos foi até 4000 vezes menor com o ligante WC-NiCr, proporcionando o maior resistência à erosão por cavitação da ordem de 6,6e-7 mm3/hora. O tempo total do experimento foi de 120 horas, o que nos permitiu observar os estágios de aceleração e desaceleração da cavitação-erosão.