Cavitation-induced damage on a ship propeller’s Kort nozzle made of AISI 316L and investigation of the near-surface microstructural changes

1 Introduction

The formation and subsequent collapse of vapor bubbles in liquids is referred to as cavitation [1]. Vapor bubbles form when the static pressure of a liquid falls below its vapor pressure. This phenomenon can appear in fast-flowing liquids. However, it can also be ultrasound-induced. If the pressure rises rapidly, the damaging effect occurs in which vapor bubbles implode near surfaces. A micro-jet is thus formed, hitting the material at high speed and exerting mechanical stress on it [1].

Aimed at preventing the formation of vapor bubbles, studies on cavitation in components typically focus on fluid dynamics rather than on the material damage caused. Literature on the interactions between cavitation and materials is thus scarce [2, 3, 4, 5, 6, 7].

AISI 316L steel (equivalent to material no. 1.4404) is widely used. According to its specifications, it should be purely austenitic. However, if due to solidification δ ferrite remains in the microstructure, austenitic steels may also contain a ferritic fraction. Owing to a steel deformation the δ ferrite then appears as an elongated microstructural constituent [8]. δ ferrite, as a type of ferrite, is magnetic and thus increases the magnetizability of the austenitic steel [9].

Another phase that may be formed in austenite is the so-called deformation martensite. It is formed at high degrees of deformation subsequent to the formation of deformation twins. These twins thus constitute the precursor to the formation of martensite [10]. Owing to its crystal structure, martensite is also magnetic. Furthermore, martensite in austenite alters the corrosion resistance of an austenitic steel and may thus lead to preferential corrosion in the martensitic microstructural constituents [11, 12, 13].

Experiments were performed aimed at documenting the deformation gradient and the associated martensite formation in this steel severely damaged by cavitation (Figure 1).

Figure 1a and b

View of the damaged area on the Kort nozzle. a) Front, b) back (© Paula Solla Besada).

Bild 1a und b: Ansicht der schadhaften Stelle an der Kortdüse. a) Vorderseite, b) Rückseite. (© Paula Solla Besada).

2 Examination methods

Two slices were cut from the sample (Figure 2a) using a cutting machine. One slice was cut into three approximately equal-sized pieces for metallographic examinations. The second slice was, once again, cut into pieces of approximately 0.3 g for magnetic measurements.

Figure 2a to d

Examined piece of steel. a) Overall view, b) severely damaged, c) moderately damaged, d) slightly damaged, b–d) 3D digital microscopy images.

Bild 2a bis d: Untersuchtes Stahlstück. a) Gesamtansicht, b) stark geschädigt, c) mittelmäßig geschädigt, d) wenig geschädigt, b–d) 3D-Digitalmikroskopiebilder.

Metallography: the samples were embedded in epoxy resin. Subsequent to plane grinding (P220), polishing steps were performed using 9 to 1 μm diamond suspensions. Lichtenegger-Blöch etchant was used to reveal the microstructure [14]. The prepared sections were examined using a light microscope (LOM) and a backscattered electron detector (BSE) in a scanning electron microscope (SEM).

Magnetic measurements: a Foerster “Foerster-Koerzimat 1.096” was used to determine the magnetic saturation moment [15]. Samples with an approx. weight of 0.3 g were used to calculate the magnetizability, since this can indicate the ferrite content in the samples by comparing it to standard ferrite.However, due to the relatively low weight of the samples and the small magnetic fraction, the results obtained are only semiquantitative.

3 Results and discussion

Cavitation deformed the steel surface and eroded it until perforation (Figure 1a). In areas substantially affected by cavitation, deep holes and a severely roughened surface are recognizable (Figure 2b). These effects disappear with increasing distance from the point of perforation (Figures 2c and d).

3.1 Surface severely deformed by cavitation

The polished cross-section of the sample reveals the heavily furrowed surface of the steel (Figure 3a) as well as holes and cracks (Figures 3b–g). The holes are up to 500 μm deep and also contain corrosion products (Figures 3b, c, g). The cavitation-induced opening of the fresh, non-passive metal surface likely caused the formation of the corrosion products. Cracks can be observed initiating from the holes, but also from the surface extending up to 1 mm into the steel (Figures 3a, c, e).

Figure 3a to g

Polished cross-section. a) Overview image, b–g) differently deformed surfaces with cracks. a–d) LOM, e–g) SEM.

Bild 3a bis g: Querschnitt poliert. a) Übersichtsaufnahme, b–g) unterschiedlich deformierte Oberflächen mit Rissen. a–d) LOM, e–g) REM.

Subsequent to etching, deformed areas can be identified by the high density of deformation twins (Figures 4a–c). The highest density of deformation twins is recorded near the surface (Figure 4c), where, bluish areas can also be observed; which could represent the deformation martensite. The Lichtenegger-Blöch etchant does not color ferrite. However, it colors the martensite which appears light blue. The proximity to the heavily deformed surface and to cracks extending up to 500 μm into the steel is further evidence that the material is martensite (Figures 5a–c).

Figure 4a to f

a–c) Severely deformed near-surface area, d–f) undamaged microstructure in the center of the sample. Etching according to Lichtenegger-Blöch, LOM.

Bild 4a bis f: a–c) Stark verformter, oberfächennaher Bereich, d–f) ungeschädigtes Gefüge in der Probenmitte. Ätzung Lichtenegger Blöch, LOM.

Figure 5a to c

a–c) Severely deformed near-surface area, Lichtenegger-Blöch, LOM.

Bild 5a bis c: a – c) Stark verformter oberfächennaher Bereich, Lichtenegger Blöch, LOM.

The severely deformed area extends up to 1 mm below the surface (Figure 4a). The deformation then gradually decreases towards the undamaged initial microstructure of the steel (Figures 4d–f). The austenitic steel has a grain size of up to 50 μm. It is furthermore characterized by a rolled microstructure featuring typical segregation bands. Small amounts of δ ferrite are also present (Figure 4f).

3.2 Moderately stressed surface

In areas subjected to moderate cavitation stress, the severely deformed zone characterized by strong twinning and martensite formation is considerably narrower (approx. 500 μm) (Figures 6a and b). Cracks can also be observed. However, they are only about 100 μm long. Martensite is presumably present in the near-surface areas. Compared to the severely deformed microstructure, it is less abundant (Figures 6c–e). The deformed area is followed by the transition to the unaltered austenitic microstructure (Figure 6f).

Figure 6a to f

a–e) Moderately deformed near-surface region, f) slightly deformed transition region. Etching according to Lichtenegger-Blöch, LOM.

Bild 6a bis f: a–e) Mittelstark verformter oberfächennaher Bereich, f) wenig verformter Übergangsbereich. Ätzung Lichtenegger Blöch, LOM.

Figure 7 shows a transition to a less stressed area. The layer of deformation martensite is approximately 300 μm thick here (Figure 7a). The number of deformation twins in the austenite grains is rather small. However, the martensite remarkably has the same orientation as the deformation twins (Figures 7b and c). This suggests that martensite is formed from the deformation twins.

Figure 7a to c

a–c) Moderately deformed near-surface area. Etching according to Lichtenegger-Blöch, LOM.

Bild 7a bis c: a–c) Mittelstark verformter oberfächennaher Bereich. Ätzung Lichtenegger Blöch, LOM.

3.3 Slightly stressed surface

In this area, no holes or cracks are visible on the surface (Figure 8a). Isolated deformation twins are visible down to a depth of approximately 400 μm (Figures 8b and c). However, martensite is barely observed.

Figure 8a to c

a–c) Slightly deformed near-surface area. Etching according to Lichtenegger-Blöch, LOM.

Bild 8a bis c: a–c) Schwach verformter oberfächennaher Bereich. Ätzung Lichtenegger Blöch, LOM.

4 Conclusions

A steel grade AISI 316L severely damaged by cavitation was examined. Samples were taken along the cavitation gradient and metallographically prepared.

Areas subjected to severe cavitation stress exhibit holes of a depth of up to 500 μm as well as cracks. They can be attributed to an increased material removal. A large number of deformation twins is visible in the austenitic grains, and martensite is also present near the surface.

Along the gradient, both the amount of deformation twins and deformation martensite decrease.

Magnetic measurements have consequently also shown that the magnetizability is higher in areas with deformation martensite.

1 Einleitung

Als Kavitation wird die Bildung und anschließende Auflösung von Dampfblasen in Flüssigkeiten bezeichnet [1]. Dampfblasen entstehen, wenn der statische Druck einer Flüssigkeit unter den Dampfdruck der Flüssigkeit absinkt. Dies kann bei schnell fließenden Flüssigkeiten auftreten aber auch durch Ultraschall ausgelöst werden. Der schädigende Effekt tritt bei nachfolgendem raschen Druckanstieg und Implosion der Dampfblasen in der Nähe von Oberflächen auf. Dabei entsteht ein Mikrojet, der mit hoher Geschwindigkeit auf das Material trifft und mechanisch belastet [1].

Untersuchungen zur Kavitation in Bauteilen befassen sich üblicherweise mit Fluiddynamik zur Verhinderung der Dampfblasenbildung und nicht mit den verursachten Materialschädigungen. Dementsprechend findet man nur wenig Literatur bezüglich der Wechselwirkungen zwischen Kavitation und Werkstoff [2, 3, 4, 5, 6, 7].

Der Stahl AISI 316L (äquivalent Werkstoff Nr. 1.4404) wird vielfach eingesetzt und sollte laut Spezifikation rein austenitisch sein. Austenitische Stähle können aber auch ferritische Anteile enthalten, wenn, bedingt durch die Erstarrung, δ-Ferrit im Gefüge verbleibt. Infolge Verformung des Stahls erscheint der δ-Ferrit dann als länglicher Gefügebestandteil [8]. Als Ferrit ist auch der δ-Ferrit magnetisch und erhöht die Magnetisierbarkeit des austenitischen Stahls [9].

Als eine weitere Phase kann im Austenit sogenannter Umformmartensit gebildet werden. Dies erfolgt bei hohen Verformungsgraden nach der Bildung von Verformungszwillingen. Diese bilden somit die Vorstufe der Martensitbildung [10]. Aufgrund seiner Kristallstruktur ist auch der Martensit magnetisch. Martensit im Austenit verändert auch die Korrosionsbeständigkeit eines austenitischen Stahls, was zu bevorzugter Korrosion in den martensitischen Gefügebestandteilen führen kann [11, 12, 13].

An dem vorliegenden Stahl, der durch Kavitation stark geschädigt wurde (Bild 1), erfolgten auch Versuche, den Verformungsgradienten und die damit verbundene Martensitbildung zu dokumentieren.

2 Untersuchungsmethoden

Von der Probe (Bild 2a) wurden mit einer Trennmaschine zwei Scheiben abgeschnitten.

Eine Scheibe wurde für die metallographischen Untersuchungen in drei annähern gleich große Teile getrennt. Die zweite Scheibe wurde für die Magnetmessungen weiter, in etwa 0,3 g schwere Stücke geteilt.

Metallographie: Die Proben wurden in Epoxidharz eingebettet. Nach dem Planschleifen (P220) folgten die Polierstufen mit 9 bis 1 μm Diamantsuspensionen. Zur Entwicklung der Mikrostrukturen wurde das Ätzmittel Lichtenegger-Blöch verwendet [14]. Die präparierten Schliffe wurden mittels Lichtmikroskop (LOM) und Rasterelektronenmikroskop (REM) im Rückstreuelektronendetektor (BSE) untersucht.

Magnetische Messungen: Zur Bestimmung des magnetischen Sättigungsmoments wurde ein „Foerster-Koerzimat 1.096“ der Firma Foerster eingesetzt [15]. Es wurden etwa 0,3 g schwere Stücke verwendet und durch Vergleich mit einem Ferrit-Standard die Magnetisierbarkeit als prozentueller Ferrit-Gehalt der Probe errechnet. Aufgrund des relativ kleinen Probengewichts und des niedrigen magnetischen Anteils konnten allerdings nur halbquantitative Ergebnisse erhalten werden.

3 Ergebnisse und Diskussion

Durch die Kavitation wurde die Oberfläche des Stahls verformt und bis zum Durchbruch abgetragen (Bild 1a). In stark durch Kavitation belasteten Bereichen sind teilweise tiefe Löcher und eine stark aufgeraute Oberfläche erkennbar (Bild 2b). Diese Effekte verschwinden mit zunehmender Entfernung von der Durchbruchstelle (Bilder 2c und d).

4 Schlussfolgerungen

Ein durch Kavitation stark geschädigter Stahl der Qualität AISI 316L wurde untersucht. Entlang des Kavitationsgradienten wurden Proben entnommen und metallographisch präpariert.

Bereiche mit starker Kavitationsbelastung zeigen bis zu 500 μm tiefe Löcher und auch Risse. Dies ist auf einen erhöhten Materialabtrag zurückzuführen. In den austenitischen Körner ist hier eine große Anzahl an Verformungszwillingen zu sehen und nahe der Oberfläche liegt auch Umformmartensit vor.

Entlang des Gradienten nimmt die Menge an Verformungszwillingen ab und auch der Umformmartensit wird weniger.

Messungen der Magnetisierbarkeit haben folgerichtig auch gezeigt, dass diese in Bereichen mit Umformmartensit höher ist.