Interaction of pulsating water jet with surface of structural materials
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Pulzní vodní svazek je modifikace konvenčního kontinuálního vodního svazku. Principem technologie je vyvolání rozpadu koherentního vodního proudu na jednotlivé shluky vodních kapek. Shluky působí v momentě dopadu na povrch impaktním tlakem, což významně zvedá erozní vlastnosti proudu. Práce studuje interakci pulzního vodního svazku s povrchem konstrukčních materiálů. Práce se zaměřuje zejména na inkubační erozní etapa. Inkubační erozní etapa se projevuje plastickou deformací povrchu bez přítomnosti makroskopického úběru materiálu. Experimentální typy materiálů jsou austenitické korozivzdorná ocel 316L a hliníková slitina AW-2014. Pulzující vodní proud je poměrně nová technologie s množstvím propojených technologických parametrů. Množství parametrů poskytuje velký prostor pro optimalizaci technologie v závislosti na použití. Předpokládá se, že vodní shluky svazku působí na povrch podobně jako vodní kapky. Na základě tohoto zjednodušení se nabízí použití technologie na testování erozní odolnosti materiálů. Výhoda technologie oproti konvenčním metodám testování eroze je vysoká frekvence dopadu kapek až 40 kHz a možnost kontrolovat rychlost, velikost, úhel a frekvenci dopadajících kapek. Zaměřením práce je zkoumání inkubačního erozního stádia předcházejícího úběru materiálu. Eroze se v tomto stádiu projevuje zdrsňováním povrchu v důsledku plastické deformace materiálu, deformací zrn vedoucímu k odhalování hranic zrn a vytváření povrchového reliéfu uvnitř zrn. Cílem práce je naladění a porozumění fungování pulzního vodního svazku a možné použití technologie pro erozní testování, zdrsňování a zpevňování povrchu. Hlavní dosažená zjištění jsou následující: • Závislost změny distribuce dopadů vodních kapek s několika úrovněmi hydraulických parametrů byla pozorována na obou experimentálních materiálech (hliníková slitina AW-2014 a austenitická ocel 316L). Závislost distribuce dopadů vodních kapek na erozní efektivitu a erozní stádium byla popsána. • Statické erozní testy byly provedeny na oceli 316L. Byly měřeny změny profilu způsobené interakcí s PWJ Podpovrchové změny korespondující se změnami povrchovými byli pozorovány pomocí transmisního elektronového mikroskopu. Bylo definováno erozní stádium mezi zdrsňováním povrchu a makroskopickým úběrem materiálu. Definováno bylo přítomností nespojitých mikro trhlin koncentrujících se zejména na hranicích zrn. • Zpevňování povrchu oceli 316L bylo měřeno na řezu kolmém k ovlivněnému povrchu. Zpevnění bylo pozorované až do hloubky 100 µm, a předcházelo makroskopickému úběru materiálu. • Nárůst únavové životnosti oceli 316L byl změřen po zpracování povrchu pomocí pulzujícího vodního svazku. V rámci zvolených experimentálních parametrů byla pozorována závislost rychlosti přejezdu pulzujícího vodního svazku a počtu cyklů do lomu pro dvě zkoumané úrovně řízené celkové deformace. • Metodologie měření pomocí difrakce zpětně odražených elektronů před a po zpracování povrchu oceli 316L pulzním vodním svazkem byla použita. Metodologie umožňuje měřit vývoj změn v orientaci a deformace uvnitř konkrétních zrn. Otestování metodologie je hlavní příspěvek této práce.
The pulsating water jet (PWJ) is a hybrid technological modification of the continuous water jet (CWJ) working at the principle of impact pressure. PWJ is created by splitting the coherent stream of water into discrete clusters. The clusters create the so-called water hammer effect, which significantly increases the effectivity of erosion of the material subjected to PWJ. This work deals with the interaction of water clusters created by the PWJ with the surface of selected structural materials. The work focuses on the incubation erosion stage before the start of the material removal. The experimental materials used were austenitic 316L stainless steel and aluminium alloy AW-2014, due to their excellent corrosion resistance in tap water environment and their homogeneity and low hardness respectively. Both of these materials are according to literature review common for waterjet focused research. The PWJ is a novel technology with several technological parameters, which offers the potential for technology optimization and opens questions about its possibilities and limitations. The individual clusters of water are expected to act upon the surface in a similar way as liquid droplets. Under this approximation, the technology is currently a candidate for use as an erosion testing tool. The advantages of PWJ erosion testing compared to conventional erosion testing tools are the high frequency of impacts and control over the impact speed, droplet size, angle of droplet impacts and impact frequency. The work focuses on the incubation erosion stage, which is the stage prior to macroscopic material removal. The incubation stages consist of plastic deformation of the material, surface deformation exposing the grain boundaries and the creation of surface steps. The goal is to tune the use of PWJ technology for erosion testing, surface roughening and surface strengthening. The main findings are as follows: • 316L stainless steel and AW-2014 were treated with PWJ moving along a linear trajectory with different levels of pressure and cluster impact distribution. The influence of cluster impact distribution on the erosion stage was evaluated. • The static PWJ with increasing erosion time was done on 316L steel. The subsurface changes corresponding with surface changes were documented using transmission electron microscopy. A new erosion stage was proposed between material roughening and macroscopic material removal stages. This stage precedes the formation of micropits and is defined by the presence of cracks at preferential sites. • The surface hardening of 316L steel was measured on cross-sections after PWJ treatment. Hardening up to depth of 100 µm was observed before significant material removal started. • A substantial increase of the fatigue life of 316L steel specimen after treatment by PWJ was found. This is a quite interesting and original finding, opening the possibility of developing a new way for surface engineering. The dependence between PWJ the feed rate and a number of cycles to failure was measured for two strain levels within the experimental design. • Electron back scattered diffraction measurement was done before and after PWJ treatment. Changes in grain orientation were measured and kernel average misorientation was evaluated. The proposal of this new methodology for erosion incubation stage observation is the highlight of this work.
The pulsating water jet (PWJ) is a hybrid technological modification of the continuous water jet (CWJ) working at the principle of impact pressure. PWJ is created by splitting the coherent stream of water into discrete clusters. The clusters create the so-called water hammer effect, which significantly increases the effectivity of erosion of the material subjected to PWJ. This work deals with the interaction of water clusters created by the PWJ with the surface of selected structural materials. The work focuses on the incubation erosion stage before the start of the material removal. The experimental materials used were austenitic 316L stainless steel and aluminium alloy AW-2014, due to their excellent corrosion resistance in tap water environment and their homogeneity and low hardness respectively. Both of these materials are according to literature review common for waterjet focused research. The PWJ is a novel technology with several technological parameters, which offers the potential for technology optimization and opens questions about its possibilities and limitations. The individual clusters of water are expected to act upon the surface in a similar way as liquid droplets. Under this approximation, the technology is currently a candidate for use as an erosion testing tool. The advantages of PWJ erosion testing compared to conventional erosion testing tools are the high frequency of impacts and control over the impact speed, droplet size, angle of droplet impacts and impact frequency. The work focuses on the incubation erosion stage, which is the stage prior to macroscopic material removal. The incubation stages consist of plastic deformation of the material, surface deformation exposing the grain boundaries and the creation of surface steps. The goal is to tune the use of PWJ technology for erosion testing, surface roughening and surface strengthening. The main findings are as follows: • 316L stainless steel and AW-2014 were treated with PWJ moving along a linear trajectory with different levels of pressure and cluster impact distribution. The influence of cluster impact distribution on the erosion stage was evaluated. • The static PWJ with increasing erosion time was done on 316L steel. The subsurface changes corresponding with surface changes were documented using transmission electron microscopy. A new erosion stage was proposed between material roughening and macroscopic material removal stages. This stage precedes the formation of micropits and is defined by the presence of cracks at preferential sites. • The surface hardening of 316L steel was measured on cross-sections after PWJ treatment. Hardening up to depth of 100 µm was observed before significant material removal started. • A substantial increase of the fatigue life of 316L steel specimen after treatment by PWJ was found. This is a quite interesting and original finding, opening the possibility of developing a new way for surface engineering. The dependence between PWJ the feed rate and a number of cycles to failure was measured for two strain levels within the experimental design. • Electron back scattered diffraction measurement was done before and after PWJ treatment. Changes in grain orientation were measured and kernel average misorientation was evaluated. The proposal of this new methodology for erosion incubation stage observation is the highlight of this work.
Description
Citation
POLOPRUDSKÝ, J. Interaction of pulsating water jet with surface of structural materials [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. .
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Fyzikální a materiálové inženýrství
Comittee
prof. Ing. Ivo Dlouhý, CSc. (předseda)
prof. Ing. Miroslav Muller, Ph.D. (člen)
Ing. Zdeněk Chlup, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. Ing. Milan Jirásek, DrSc. (člen)
Date of acceptance
Defence
Práce obsahuje velké množství výsledků popisujících účinky pulsujícího vodního paprsku dopadajícího na povrch kovových materiálů (ocel AISI 316, Al slitina). Většina výsledků prošla recenzním řízením a byla publikována ve významých časopisech. Klíčové přínosy sou spatřovány: 1. Bylo prokázána přítomnost zpevněné vrsty do hloubky několika desítek mikrometrů. 2. Díly ovlivnění povrchu zkoumaných materiálů byl zjištěn nárůst únavového života min. o 1 řád (u zkoumaných materiálů). 3. Pro hodnocení mikroreliéfu je výhodné použití EBSD IKAM pro charakterizaci drnosti)
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení