Випуски $\rightarrow$ Том 26, випуск 3 (2025)

Підвищення опору ультразвуковій кавітаційній ерозії металевих деталів шляхом модифікування поверхні

МОРДЮК Б.М.$^{1}$, ВАСИЛЬЄВ М.О.$^{1}$, ВОЛОШКО С.М.$^{2}$, ВИСЛИЙ О.А.$^{2}$

$^1$Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 36, 03142 Київ, Україна
$^2$Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», просп. Берестейський, 37, 03056 Київ, Україна

Отримано / остаточна версія: 07.02.2025 / 19.08.2025 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
Оглянуто поточний розвиток оброблень поверхні, спрямованих на підвищення стійкости щодо кавітаційної ерозії (КE) металевих виробів, які працюють в умовах вібрації у рідких середовищах. Розглянуто ультразвукове кавітаційне тестування, яке є зручним й експресним методом оцінювання кавітаційної стійкости матеріялів. Стійкість щодо КЕ зразків металу в основному перевіряється за допомогою типового ультразвукового вібраційного приладу відповідно до стандарту випробувань ASTM G32-10. Описано та проаналізовано фізичний механізм кавітаційної деструкції поверхні на основі утворення пароподібних порожнин. Ця аналіза дає змогу ліпше зрозуміти роль методів оброблення поверхні та їхніх параметрів на структуру та механічні властивості приповерхневої области, задля підвищення захисту від руйнівних ефектів кавітації. Наведено приклади ефективних методів поліпшення властивостей поверхні різних металевих матеріялів, а саме, методів нанесення покриттів, в тому числі мікродугове оксидування, дугове напорошення, високошвидкісне кисневе осадження, холодне напорошення, катодно-дугове плазмове осадження, лазерне леґування поверхні й азотування. Крім того, зроблено висновок, що такі методи модифікування поверхні, як лазерне оброблення поверхні, оброблення фрикційним перемішуванням і зварювання/отоплення вольфрамовою електродою в інертному газі також є ефективними інгібіторами КЕ.

Ключові слова: кавітація, поверхневе оброблення, покриття, ерозійна тривкість, ультразвукова вібрація, кавітаційні випробування.

DOI: https://doi.org/10.15407/ufm.26.03.***

Citation: B.M. Mordyuk, M.O. Vasylyev, S.M. Voloshko, and O.А. Vyslyi, Increasing Resistance to Ultrasonic Cavitation Erosion of Metallic Parts by Means of the Surface Modification, Progress in Physics of Metals, 26, No. 3: ***–*** (2025)

Цитована література   
  1. C.E. Brennen, Cavitation and Bubble Dynamics (Cambridge University Press: 2013).
  2. R.T. Knapp, J.W. Daily, and F.G. Hammitt, Cavitation (McGraw-Hill: 1970).
  3. F.R. Young, Cavitation (Imperial College Press: 1999).
  4. K.S. Suslick, Science, 247: 1439 (1990); https://doi.org/10.1126/science.247.4949.143
  5. H. Crockett and J. Horowitz, J. Press. Vessel Technol., 132: 024501 (2010); https://doi.org/10.1115/1.4000509
  6. C. Kang, N. Mao, W. Zhang, and Y. Gu, Ann. Nucl. Energy., 110: 789 (2017); https://doi.org/10.1016/j.anucene.2017.07.028
  7. B.K. Sreedhar, S.K. Albert, and A.B. Pandit, Wear, 372–373: 177 (2017); https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.12.009
  8. D.E. Zakrzewska and A.K. Krella, Adv. Mater. Sci., 19: 18 (2019); https://doi.org/10.2478/adms-2019-0019
  9. A.K. Krella, Wear, 258: 604 (2005); https://doi.org/10.1016/j.wear.2004.11.025
  10. M. Dular and O. Coutier-Delgosha, Int. J. Numer. Meth. Fluids, 61: 1388 (2009); https://doi.org/10.1002/fld.2003
  11. G.Y. Gao, S.H. Guo, and D. Li, Materials, 17: 1007 (2024); https://doi.org/10.3390/ma17051007
  12. K.H. Kim, G.L. Chahine, J.-P. Franc, and A. Karimi, Advanced Experimental and Numerical Techniques for Cavitation Erosion Prediction (Berlin: Springer: 2014).
  13. A. Gedanken, Ultrason. Sonochem., 11: 47–55 (2013); https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2004.01.037
  14. D. Leng, S. Shao, Y. Xie, H. Wang, and G. Liu, Ocean Eng., 228: 108565 (2021); https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2020.108565
  15. Y.-G. Ren, L. Yang, Y.-J. Liu, K.B. Yu, and J.H. Zhang, J. Marine Sci. Eng., 9: 682 (2021); https://doi.org/10.3390/jmse9060682
  16. S. Wu, Y. Wu, J. Tian, and H. Ouyang, Eng. Appl. Comput. Fluid Mech., 16: 1048 (2022); https://doi.org/10.1080/19942060.2022.2067243
  17. R. Singh, S.K. Tiwari, and S.K. Mishra, J. Mater. Eng. Perform., 21: 1539 (2012); https://doi.org/10.1007/s11665-011-0051-9
  18. M. Brunhart, C. Soteriou, C. Daveau, M. Gavaises, P. Koukouvinis, and M. Winterbourn, Wear, 442: 203024 (2020); https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.203024
  19. R. Khare and V. Prasad, Ocean Eng., 221: 108512 (2021); https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2020.108512
  20. C.K. Toh, Int. J. Adv. Manuf. Technol., 31: 688 (2007); https://doi.org/10.1007/s00170-005-0249-9
  21. H. Soyama and F. Takeo, J. Mater. Process. Technol., 227: 80 (2016); https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2015.08.012
  22. M. Mathias, A. Göcke, and M. Pohl, Wear, 150: 11–20 (1991); https://doi.org/10.1016/0043-1648(91)90302-B
  23. Q.J. Peng, T.G. Ming, Y.L. Han, and T. Zhang, Surf. Coat. Technol., 496: 131675 (2025); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2024.131675
  24. H. Soyama, K.L. Wong, D. Eakins, and A.M. Korsunsky, Int. J. Fatigue, 185: 108348 (2024); https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2024.108348
  25. H. Soyama, C. Kuji, and Y.L. Liao, J. Magnesium Alloys, 11: 1592 (2023); https://doi.org/10.1016/j.jma.2023.04.004
  26. P. Murugesan, S.H. Jung, and H. Lee, Mater. Design, 229: 111906 (2023); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.111906
  27. Y. Iwai, T. Honda, H. Yamaa, T. Matsumura, M. Larsson, and S. Hogmark, Wear, 251: 861 (2001); https://doi.org/10.1016/S0043-1648(01)00743-8
  28. L.A. Espitia, H. Dong, X.Y. Li, C.E. Pinedo, and A.P. Tschiptschin, Wear, 332–333: 1070 (2015); https://doi.org/10.1016/j.wear.2014.12.009
  29. V. Schulze, F. Bleicher, P. Groche, Y.B. Guo, and Y.S. Pyun, CIRP Ann., 65: 809 (2016); https://doi.org/10.1016/j.cirp.2016.05.005
  30. C.E. Brennen, Cavitation and Bubble Dynamics (New York: Oxford University Press: 1995).
  31. L.Z. Ye, X.J. Zhu, L.J. Wang, and C. Guo, Ultrason. Sonochem., 40: 988 (2018); https://doi.org/10.1016/ j.ultsonch.2017.09.013
  32. L. Ye and X. Zhu, Adv. Mech. Eng., 9: 1 (2017); https://doi.org/10.1177/1687814017712947
  33. J. Doktycz and K. S. Suslick, Science, 247: 1067 (1990); https://doi.org/10.1126/science.23091
  34. T. Volkov-Husović, S. Martinović, A. Alil, M. Vlahović, B. Dimitrijević, I. Ivanić, and V. Pavkov, J. Min. Metall. Sect. B-Metall., 60: 295 (2024); https://doi.org/10.2298/JMMB240118018V
  35. https://www.hielscher.com/information-about-ultrasonic-cavitation.htm
  36. L.Q. Wang, N. Qiu, D.H. Hellmann, and X.W. Zhu, J. Mech. Sci. Technol., 30: 533 (2016); https://doi.org/10.1007/s12206-016-0106-9
  37. L.Z. Ye, X.J. Zhu, Y. He, T.J. Song, and W. Hu, Chinese J. Aeronaut, 34: 508 (2021); https://doi.org/10.1016/j.cja.2020.08.043
  38. C. Zhu, S. He, M. Shan, and J Chen, Ultrasonics, 44: 349 (2006); https://doi.org/10.1016/j.ultras.2006.07.016
  39. G.L. Chahine, A. Kapahi, J.K. Choi, and C.T. Hsiao, Ultrason. Sonochem., 29: 528 (2016); https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2015.04.026
  40. G. Wang, W. Wu, J. J. Zhu, and D. Peng, Ultrason. Sonochem., 79: 105781 (2021); https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2021.105781
  41. L. Jing and L. Jian, J. Eng. Tribology, 223: 985 (2009); https://doi.org/10.1243/13506501JET593
  42. B.N. Mordyuk and G.I. Prokopenko, Ultrasonics, 42: 43 (2004); https://doi.org/10.1016/j.ultras.2004.01.001
  43. V.M. Nadutov, B.N. Mordyuk, G.I. Prokopenko, and I.S. Gavrilenko, Ultrasonics, 42: 47 (2004); https://doi.org/10.1016/j.ultras.2004.01.002
  44. M. Duraiselva, R. Galun, V. Wesling, B.L. Mordike, R. Reiter, J. Oligmuller, and G. Buvanashekaran, Mater. Sci. Eng. A, 454–455: 63 (2007); https://doi.org/10.1016/j.msea.2006.11.002
  45. H.S. Chen, S.H. Liu, J.D. Wang, and D. Chen, J. Appl. Phys., 101: 103 (2007); https://doi.org/10.1063/1.2734547
  46. J. Lago, L. Trsko, M. Jambor, F. Novy, O. Bokuvka, M. Mician, and F. Pastorek, Metals, 9: 619 (2019), https://doi.org/10.3390/met9060619
  47. H. Qi, Z. Cheng, D. Cai, L. Yin, Z. Wang, and D. Wen, J. Mater. Process. Technol., 259: 361 (2018); https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2018.04.043
  48. ASTM G32-16; Standard test method for cavitation erosion using vibratory apparatus. ASTM International (West Conshohocken, PA, USA: 2021).
  49. J.Z. Zhang, W.B. Dai, X.S. Wang, Y.M. Wang, H.T. Yue, Q. L, X.N. Yang, C.G. Guo, and C.Y. Li. J. Mater. Res. Technol., 23: 4307 (2023); https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.02.028
  50. R. Kamal Jayaraj, S. Malarvizhi, and V. Balasubramanian, Defence Technology, 13: 111 (2017); https://doi.org/10.1016/j.dt.2017.03.003
  51. L. Ropyak, T. Shihab, A. Velychkovych, O. Dubei, T. Tutko, and V. Bilinskyi, Design of a two-layer Al–Al2O3 coating with an oxide layer formed by the plasma electrolytic oxidation of Al for the corrosion and wear protections of steel, Prog. Phys. Met., 24, No. 2: 319 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.02.319
  52. M. Szkodo, A. Stanisławska, A. Komarov, and L. Bolewski, Wear, 474–475: 203709 (2021); https://doi.org.0.1016/j.wear.2021.203709
  53. J.B. Cheng, X.B. Liang, B.S. Xu, and Y.X. Wu, J. Mater. Sci., 44: 3356 (2009); https://doi.org/10.1007/s10853-009-3436-5
  54. Y. Wang, K.Y. Li, F. Scenini, J. Jiao, S.J. Qu, Q. Luo, and J. Shen, Surf. Coat. Technol., 302: 27 (2016); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.05.034
  55. J.R. Lin, Z. Wang, J.B. Cheng, M. Kang, X.Q. Fu, and S. Hong, Coatings, 7: 200 (2017); https://doi.org/10.3390/coatings7110200
  56. R.H. Purba, K. Shimizu, K. Kusumoto, T. Todaka, M. Shirai, H. Hara, and J. Ito, Tribol. Int., 159: 106982 (2021); https://doi.org/10.1016/j.triboint.2021.106982
  57. J.C. Tan, L. Looney, and M.S.J. Hashmi, J. Mater. Process. Tech., 92–93: 203 (1999); https://doi.org/10.1016/s0924-0136(99)00113-2
  58. K.N. Singh, S.M.A. Ang, K.D. Mahajan, and H. Singh, Tribol. Int., 159: 106954 (2021); https://doi.org/10.1016/j.triboint.2021.106954
  59. E. Jonda and L. Łatka, Adv. Sci. Technol. Res. J., 15: 57 (2021); https://doi.org/10.12913/22998624/135979
  60. E. Jonda, M. Szala, M. Sroka, L. Łatka, and M. Walczak, Appl. Surf. Sci., 608: 155071 (2023); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.155071
  61. X. Ding, X.D. Cheng, X. Yu, C. Li, C.Q. Yuan, and Z.X. Ding, Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 28: 487 (2018); https://doi.org/10.1016/S1003-6326(18)64681-3
  62. J. Cheng, Y.P. Wu, S.S. Zhu, S. Hong, J.B. Cheng, and Y.J. Wang, J. Mater. Res. Technol., 25: 2936 (2023); https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.06.10936e2947
  63. C. Suryanarayana and A. Inoue, Int. Mater. Rev., 58: 131 (2013); https://doi.org/10.1179/1743280412Y.0000000007
  64. G.Y. Koga, R. Schulz, S. Savoie, A.R.C. Nascimento, Y. Drolet, C. Bolfarini, C.S. Kiminami, and W.J. Botta, Surf. Coat. Technol., 309: 938 (2016); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.10.057
  65. L. Qiao, Y. Wu, S. Hong, J. Zhang, W. Shi, and Y. Zheng, Ultrasonics Sonochemistry, 306: 938 (2017); https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2017.04.011
  66. A. Bandar, Fundamentals of cold spray processing: evolution and future perspectives, Cold Spray Coatings: Recent Trends Future Perspective (Ed. P. Cavaliere) (Springer: 2018); https://doi.org/10.1007/978-3-319-67183-3
  67. M. Kazasidis, S. Yin, J. Cassidy, T. Volkov-Husović, M. Vlahović, S. Martinović, E. Kyriakopoulou, and R. Lupoi, Surf. Coat. Technol., 382: 125195 (2020); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.125195
  68. Y. Shuo, E.J. Ekoi, T.L. Lupton, D.P. Dowling, and R. Lupoi, Mater. Des., 126: 305 (2017); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.04.040
  69. S. Krebs, F. Gärtner, and T. Klassen, J. Therm. Spray Technol., 24: 126 (2015); https://doi.org/10.1007/s11666-014-0161-7
  70. F. Lomello, F. Sanchette, F. Schuster, M. Tabarant, and A. Billard, Surf. Coat. Technol., 224: 77 (2013); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2013.02.051
  71. B. Navinsek, P. Panjan, and I. Milosev, Surf. Coat. Technol., 97: 182 (1997); https://doi.org/10.1016/S0257-8972(97)00393-9
  72. S. Han, J.H. Lin, J.J. Kuo, J.L. He, and H.C. Shih, Surf. Coat. Technol., 161: 20 (2002); https://doi.org/10.1016/S0257-8972(02)00392-4
  73. F. da S. Severo, C.J. Scheuer, R.P. Cardoso, and S.F. Brunatto, Wear, 428–429: 162 (2019); https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.03.009
  74. C.L. Wu, S. Zhang, C.H. Zhang, H. Zhang, and S.Y. Dong, J. Alloys Compounds, 698: 761 (2017); http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.12.196
  75. K.H. Lo, F.T. Cheng, C.T. Kwok, and H.C. Man, Surf. Coat. Technol., 165: 258–267 (2003); https://doi.org/10.1016/S0257-8972(02)00739-9
  76. S. Zhang, C.L.Wu, C.H. Zhang, M. Guan, and J.Z. Tan, Optics Laser Technol., 84: 2331 (2016); https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2016.04.011
  77. C.T. Kwok, F.T. Cheng, and H.C. Man, Surf. Coat. Technol., 145: 194 (2001); https://doi.org/10.1016/S0257-8972(01)01293-2
  78. S.P. Gadag, M.N. S.P. Gadag, and M.N. Srinivasan, Mater. Process. Technol., 51: 150 (1995); https://doi.org/10.1016/0924-0136(94)01601-V
  79. E. Wolowiec-Korecka, Carburising and Nitriding of Iron Alloys (Springer: 2024).
  80. D. Liedtke, U. Baudis, J. Boßlet, U. Huchel, H.K. Westkamp, W. Lerche, and H.J. Spies, Nitriding and Nitrocarburizing on Iron Materials (Tokyo: AGNE Gijutsu Center: 2013).
  81. M. Drouet and E. Le Bourhis, Materials, 16: 4704 (2023); https://doi.org/10.3390/ma16134704
  82. A.N. Allenstein, C.M. Lepienski, A.J.A. Buschinelli, and S.F. Brunatto, Wear, 309: 159 (2014); https://doi.org/10.1016/j.wear.2013.11.002
  83. I. Mitelea, E. Dimian, I. Bordeasu, and C. Craciunescu, Ultrasonics Sonochem., 21: 1544 (2014); https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2014.01.005
  84. H.C. Man, Z.D. Cui, T.M. Yue, and F.T. Cheng, Mater. Sci. Eng. A, 355: 167 (2003); https://doi.org/10.1016/S0921-5093(03)00062-5
  85. S.P. Gadag and M.N. Srinivasan, J. Mater. Process. Technol., 51: 150 (1995); https://doi.org/10.1016/0924-0136(94)01601-V
  86. B.G. Giren, Surf. Eng., 14: 325 (1998); https://doi.org/10.1179/sur.1998.14.4.325
  87. C.T. Kwok, H.C. Man, and F.T. Cheng, Surf. Coat. Technol., 126: 238 (2000); https://doi.org/10.1016/S0257-8972(00)00533-8
  88. C.H. Tang, F.T. Cheng, and H.C. Man, Surf. Coat. Technol., 182: 300 (2004); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2003.08.048
  89. R.S. Mishra and Z.Y. Ma, Mater. Sci. Eng. R, 50: 1 (2005); https://doi.org/10.1016/j.mser.2005.07.001
  90. S. Park, C.G. Lee, H.N. Han, S.J. Kim, and K. Chung, Met. Mater. Int., 14: 47 (2008); https://doi.org/10.3365/met.mat.2008.02.047
  91. A.K. Lakshminarayanan and V. Balasubramanian, Mater. Sci. Eng. A, 539: 143 (2012); https://doi.org/10.1016/j.msea.2012.01.071
  92. H.A. Abdollah-Zadeh, S.S. Rezaei-Nejad, H. Assadi, S.M.M. Hadavi, K. Chung, and M. Shokouhimehr, Appl. Surf. Sci., 308: 184 (2014); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.04.132
  93. X. Zhang and L. Fang, Wear, 253: 1105 (2002); https://doi.org/10.1016/S0043-1648(02)00168-0
  94. G.W. Lorimer, F. Hasan, J. Iqbal, and N. Ridley, Br. Corros. J., 21: 244 (1986); http://dx.doi.org/10.1179/000705986798272046
  95. A. Al-Hashem and W. Riad, Mater. Characterization, 48: 37 (2002); https://doi.org/10.1016/S1044-5803(02)00196-1
  96. A. Al-Hashem and J. Carew, Desalination, 150: 255 (2002); https://doi.org/10.1016/S0011-9164(02)00981-5
  97. S. Thapliyal and D.K. Dwivedi, Wear, 376–377: (2017); https://doi.org/10.1016/j.wear.2017.01.030
  98. J.H. Chen, P.H. Hua, P.N. Chen, C.M. Chang, M.C. Chen, and W. Wu, Mater. Lett., 62: 2490 (2008); https://doi.org/10.1016/j.matlet.2007.12.038
  99. Z.D. Wan, Z.L. Yi, Y. Zhao, S.C. Zhang, Q. Li, J. Lin, and A.P. Wu, Mater. Design, 245: 113274 (2024); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.113274
  100. P. Binande, H.R. Shahverdi, and A. Farnia, J. Mater. Res. Technol., 33: 9092 (2024); https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.11.231
  101. M. Ardeshir, M. Yousefpour, S.M.S. Nourbabksh, and M. Bozorg, Heliyon, 10: 41062 (2024); https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e41062
  102. I. Mitelea, T. Bena, I. Bordeasu, I.D. Uţu, and C.M. Crăciunescu, Metall Mater. Trans. A, 50: 3767 (2019); https://doi.org/10.1007/s11661-019-05287-w
  103. I. Adhiwiguna, N. Nobakht, and R. Deike, Metals, 14: 915 (2024); https://doi.org/10.3390/met14080915
  104. K. Salonitis, M. Jolly, E. Pagone, and M. Papanikolaou, Energies, 12: 2557 (2019); https://doi.org/10.3390/en12132557
  105. K. Jhaveri, G.M. Lewis, J.L. Sullivan, and G.A. Keoleian, Sustainable Mater. Technol., 15: 1 (2018); https://doi.org/10.1016/j.susmat.2018.01.002
  106. E. Riemschneider, I. Bordeasu, I. Mitelea, I. D. Utu, and C.M. Crăciunescu, Mater. Today: Proc., 45: 4157 (2021); https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.11.929

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України,