(2008) 264 (9-10) ISSN

Transcript

1 Stack, M.M. and Abd El-Badia, T.M. (2008) Some comments on mapping the combined effects of slurry concentration, impact velocity and electrochemical potential on the erosion corrosion of WC/Co Cr coatings. Wear, 264 (9-10). pp ISSN , This version is available at Strathprints is designed to allow users to access the research output of the University of Strathclyde. Unless otherwise explicitly stated on the manuscript, Copyright and Moral Rights for the papers on this site are retained by the individual authors and/or other copyright owners. Please check the manuscript for details of any other licences that may have been applied. You may not engage in further distribution of the material for any profitmaking activities or any commercial gain. You may freely distribute both the url ( and the content of this paper for research or private study, educational, or not-for-profit purposes without prior permission or charge. Any correspondence concerning this service should be sent to the Strathprints administrator: The Strathprints institutional repository ( is a digital archive of University of Strathclyde research outputs. It has been developed to disseminate open access research outputs, expose data about those outputs, and enable the management and persistent access to Strathclyde's intellectual output.

2 Some comments on mapping the combined effects of slurry concentration, impact velocity and electrochemical potential on the erosion- corrosion of WC/Co-Cr coatings Μ.Μ. Σταχκ ανδ Τ. Μ Αβδ Ελ Βαδια Dεπαρτmεντ οφ Μεχηανιχαλ Ενγινεερινγ, Υνιϖερσιτψ οφ Στρατηχλψδε, ϑαmεσ Wειρ Βυιλδινγ, 75 Μοντροσε Στ., Γλασγοω, Γ1 1Ξϑ, ΥΚ Abstract Ματεριαλσ εξποσεδ το αθυεουσ σλυρρψ ενϖιρονmεντσ mυστ νοτ ονλψ ρεσιστ τηε ιmπαχτ οφ σολιδ παρτιχλεσ ανδ τηε φλοωινγ ενϖιρονmεντ βυτ αλσο τηε δεγραδατιον χαυσεδ βψ ελεχτροχηεmιχαλ χορροσιον. Ιν τηισ στυδψ, τηε χοmβινεδ εφφεχτσ οφ σλυρρψ παρτιχλε χονχεντρατιον ανδ ϖελοχιτψ ον τηε εροσιον χορροσιον οφ α WΧ/Χο Χρ χοατινγ ωερε ασσεσσεδ ατ α ρανγε οφ ελεχτροχηεmιχαλ ποτεντιαλσ ιν α σψντηετιχ σεα ωατερ σολυτιον χονταινινγ σανδ παρτιχλεσ ανδ χοmπαρεδ το τηε περφορmανχε οφ α mιλδ στεελ εξποσεδ το σιmιλαρ χονδιτιονσ. Τηε εροσιον ανδ χορροσιον χοντριβυτιονσ ανδ τηειρ ιντεραχτιονσ ωερε εϖαλυατεδ φορ τηε mατεριαλσ. Τηε ρεσυλτσ ινδιχατεδ τηατ τηε εροσιον χορροσιον mεχηανισm οφ τηε χοατινγ ανδ τηε mιλδ στεελ σηοωεδ σιγνιφιχαντ διφφερενχεσ ωηεν παρτιχλε ϖελοχιτψ ανδ χονχεντρατιον ωερε ινχρεασεδ ατ ϖαριουσ ποτεντιαλσ. Φορ βοτη mατεριαλσ, δεγραδατιον 1

3 mεχηανισmσ ωερε ιδεντιφιεδ ανδ συπεριmποσεδ ον εροσιον χορροσιον mαπσ. Μαπσ ινδιχατινγ λεϖελσ οφ ωασταγε, εξτεντ οφ σψνεργψ βετωεεν τηε προχεσσεσ ανδ τηε οπτιmυm mατεριαλ περφορmανχε ωερε αλσο γενερατεδ ασ παρτ οφ τηισ στυδψ. Σχαννινγ ελεχτρον mιχροσχοπψ ωασ υσεδ το χονφιρm τηε δεγραδατιον ρεγιmεσ ανδ mεχηανισmσ οφ mατεριαλ ρεmοϖαλ δυρινγ τηε εροσιον χορροσιον προχεσσ. Κεψ ωορδσ: εροσιον χορροσιον mαπσ; WΧ/Χο Χρ χοατινγσ, σλυρρψ σολυτιονσ, σψνεργψ/αδδιτιϖε εφφεχτ mαπσ; mατεριαλσ περφορmανχε mαπσ 1. Introduction Τηερmαλλψ σπραψεδ χοατινγσ αρε υσεδ το ιmπροϖε τηε ωεαρ χηαραχτεριστιχσ οφ συρφαχεσ σινχε τηεψ χοmβινε σεϖεραλ αττραχτιϖε φεατυρεσ ι.ε. ρεσιστανχε το αβρασιον, εροσιον, ηιγη τεmπερατυρε ανδ χορροσιϖε ατmοσπηερεσ [1]. Ηιγη ϖελοχιτψ οξψ φυελ (ΗςΟΦ) χοατινγσ ηαϖε βεεν υσεδ ωιδελψ ιν mανψ ενγινεερινγ χοmπονεντσ φορ χοmβατινγ ωεαρ ανδ χορροσιον. Χοmπονεντσ χοατεδ βψ τηε ΗςΟΦ mετηοδ ινχλυδε προπελλερσ, πυmπ ιmπελλερσ ανδ χασινγσ, ϖαλϖε βοδιεσ ανδ πιπε σψστεmσ. Νυmερουσ ρεσεαρχηεσ ηαϖε βεεν διρεχτεδ τοωαρδσ τηε δεϖελοπmεντ οφ σπραψινγ χονδιτιονσ, ανδ χηαραχτεριζατιον οφ τηε σπεχιφιχ αβρασιϖε ανδ εροσιϖε ωεαρ ρεσιστανχεσ οφ τηε χοατινγσ [2]. Εροσιον χορροσιον ισ α σιγνιφιχαντ mατεριαλσ ισσυε ιν mανψ ινδυστριεσ ινχλυδινγ οιλ ανδ γασ προδυχτιον, mινινγ ανδ mατεριαλ προχεσσινγ. Ιν συχη χασεσ, χοmπονεντσ συχη ασ πυmπσ, ϖαλϖεσ, αγιτατορσ, πετρολ εξπλορερ εθυιπmεντσ ανδ πιπελινεσ αρε ιν χονταχτ ωιτη αθυεουσ σλυρριεσ δυρινγ οπερατιον [3, 4]. Ρεmοϖαλ οφ τηε συρφαχε φιλmσ φορmεδ δυρινγ 2

4 τηε χορροσιον προχεσσ βψ παρτιχλεσ συχη ασ σιλιχα σανδ χαν αχχελερατε τηε δεγραδατιον οφ τηε mατεριαλ. Ον τηε οτηερ ηανδ, χορροσιον χαν ηαϖε α δελετεριουσ εφφεχτ ον τηε mεχηανιχαλ προπερτιεσ οφ τηε mατεριαλ mακινγ ιτ mορε συσχεπτιβλε το ωεαρ, παρτιχυλαρλψ ιν τηε χασε οφ mυλτι πηασε mατεριαλσ συχη ασ χοmποσιτεσ [3]. Ρεχεντ ρεσεαρχη ον τηε εροσιον χορροσιον οφ mατεριαλσ ιν αθυεουσ χονδιτιονσ ηασ αττεmπτεδ το προϖιδε ϖαριουσ χριτερια φορ τηε πρεδοmινανχε οφ εροσιον χορροσιον mεχηανισmσ ιν αθυεουσ χονδιτιονσ [5 8]. Τηισ ηασ βεεν χαρριεδ ουτ ιν ορδερ το δεχονϖολυτε α ϖερψ χοmπλεξ προχεσσ ινϖολϖινγ α ϖερψ λαργε ρανγε οφ mεχηανιχαλ ανδ χηεmιχαλ πηενοmενα. Τηε ρεγιmεσ ρανγε φροm εροσιον το χορροσιον δοmινατεδ δεπενδινγ ον τηε ρεσπονσε οφ τηε mατεριαλ το τηε ατταχκ οφ τηε χορροσιϖε σλυρρψ. Α mετηοδολογψ ηασ βεεν δεϖελοπεδ το δεφινε χριτερια φορ συχη ρεγιmε τρανσιτιονσ ασ α φυνχτιον οφ τηε ρατιο οφ τηε εροσιον το χορροσιον ρατε [5 8]. Ιν στυδιεσ οφ εροσιον χορροσιον οφ χοmποσιτε βασεδ χοατινγσ το δατε, α σιγνιφιχαντ ισσυε ηασ βεεν τηατ τηερε ηασ βεεν ϖερψ λιττλε αττεmπτ το ιδεντιφψ τηε ωασταγε mεχηανισmσ οϖερ α ωιδε ρανγε οφ χονδιτιονσ. Ιν αδδιτιον, τηε εξτεντ οφ σψνεργψ βετωεεν τηε εροσιον ανδ χορροσιον προχεσσ ηασ νοτ βεεν χηαραχτεριζεδ οϖερ τηισ περφορmανχε ωινδοω, ωηιχη λιmιτσ τηε αππλιχατιον οφ τηε ρεσεαρχη. Τηε αιm οφ τηισ παπερ ισ το αδδρεσσ τηισ ισσυε βψ ινϖεστιγατινγ τηε εροσιον χορροσιον βεηαϖιουρ οφ α WΧ/Χο Χρ τηερmαλλψ σπραψεδ χοατινγ ανδ mιλδ στεελ, οϖερ α ρανγε οφ χονδιτιονσ. Τηε εφφεχτσ οφ σλυρρψ παρτιχλε χονχεντρατιον ανδ τηε ιmπαχτ ϖελοχιτψ ον τηε εροσιον χορροσιον βεηαϖιουρ ωερε ινϖεστιγατεδ ατ ϖαριουσ αππλιεδ ποτεντιαλσ ιν σψντηετιχ 3

5 σεα ωατερ χονταινινγ σιλιχα σανδ. Φιναλλψ, εροσιον χορροσιον mαπσ ωερε δεϖελοπεδ σηοωινγ τηε χηανγε ιν εροσιον χορροσιον mεχηανισmσ, ωασταγε ρατεσ ανδ εξτεντ οφ σψνεργψ βετωεεν τηε τωο προχεσσεσ. Τηε ρεσυλτσ ωερε αλσο υσεδ το γενερατε mατεριαλ περφορmανχε mαπσ βασεδ ον τηε τεστ χονδιτιονσ. 4

6 2. Experimental details 2.1 Materials Τηε εροσιον χορροσιον τεστσ ωερε περφορmεδ ον mιλδ στεελ (τηε χοατινγ συβστρατε) ανδ α WΧ/Χο Χρ χοατινγ. Οπτιχαλ Μιχροσχοπψ ανδ Ελεχτρον Dισπερσιϖε Ξ Ραψ Αναλψσισ (ΕDΞ) φορ τηε WΧ/Χο Χρ χοατινγ, Φιγσ. 1 2, ωερε χαρριεδ ουτ το ινϖεστιγατε τηε τηιχκνεσσ ανδ τηε περχενταγεσ οφ τηε χαρβιδεσ ανδ βινδερ πηασεσ ιν τηε χοατινγσ, ασ σηοων ιν Ταβλε 1, ρεσπεχτιϖελψ. Τηε τηιχκνεσσ οφ τηε χοατινγ ϖαριεδ ιν τηε ρανγε οφ 8 13 μm, Φιγ. 2. Τηε διmενσιον οφ σπεχιmενσ ωασ 20 Ξ 10 Ξ 3 mm, ηοωεϖερ ονλψ α σmαλλ αρεα ωασ εξποσεδ το ιmπινγεmεντ; τηε ρεmαινινγ αρεα ωασ χοϖερεδ βψ ταπε. Τηε συρφαχε αρεα οφ τηε σαmπλεσ εξποσεδ το τηε σλυρρψ ϕετ ωασ χm Test procedure Τηε σλυρρψ εροσιον ρεσιστανχε οφ αλλ τηε σαmπλεσ ωασ δετερmινεδ βψ mασσ λοσσ mεασυρεmεντσ. Τηε σαmπλεσ ωερε ωειγηεδ βεφορε ανδ αφτερ τηε τεστ το αν αχχυραχψ οφ ±0.10 mγ υσινγ α πρεχισιον βαλανχε (α Μεττλερ ελεχτρονιχ βαλανχε). Τηε τεστ σαmπλεσ ωερε σετ ατ α φιξεδ ιmπαχτ ανγλε οφ 90 το τηε ιmπινγινγ ϕετ. Εροσιον χορροσιον τεστσ ωερε χονδυχτεδ φορ 30 mινυτεσ. Ατ τηε ενδ οφ τηε τεστ, τηε σαmπλεσ ωερε ρεmοϖεδ ανδ χλεανεδ ωιτη διστιλλεδ ωατερ ανδ αχετονε το ρεmοϖε ανψ σλυρρψ ορ δεβρισ. Εαχη τεστ ωασ ρεπεατεδ 3 τιmεσ. Τηε εξπεριmενταλ ερρορ ωασ ωιτηιν ±15%. Σπεχιmενσ ωερε εξαmινεδ πριορ το ανδ αφτερ τεστινγ το ινϖεστιγατε τηε mιχροστρυχτυρε ανδ mεχηανισmσ οφ δαmαγε υσινγ α σχαννινγ ελεχτρον mιχροσχοπε (ΣΕΜ). 5

7 Table 1: Composition of the coating tested Ελεmεντ Χ Χρ Χο W Wτ % Fig.1: EDX analysis of the coating [6] 6

8 Fig. 2: Optical microscopy of cross section of the coating morphology [6] Fig. 3: Silica sand used in the erosion corrosion tests 7

9 2.3 Erosion-corrosion tests Εροσιον χορροσιον εξπεριmεντσ ιν τηισ ωορκ ωερε περφορmεδ υσινγ αν ιmπινγινγ ϕετ αππαρατυσ (δεταιλεδ ελσεωηερε; [9]) ωηιχη χοmπρισεδ α λιθυιδ σολιδ ϕετ γενερατεδ φροm α ρεχιρχυλατινγ σψστεm ασ σηοων ιν Φιγ.4. Τηε παρτιχλε χονχεντρατιον οφ τηε σλυρρψ ωασ ϖαριεδ ατ τηρεε ϖαλυεσ 4%, 6% ανδ 8% (βψ mασσ %), ανδ ατ τωο ιmπαχτ ϖελοχιτιεσ ναmελψ 2 ανδ 4 mσ 1. Τηε σλυρρψ ωασ χοmποσεδ οφ σιλιχα σανδ, ωιτη α σιζε ιν τηε ρανγε 50 το 250 m, Φιγ. 3, (20 ωτ. % παρτιχλεσ το 80% σολυτιον) ιν σψντηετιχ σεα ωατερ (πρεπαρεδ αχχορδινγ το ΑΣΤΜ D ) ασ ελεχτρολψτε. Πολαρισατιον χυρϖεσ ωερε mεασυρεδ ατ τηε ρεθυιρεδ σλυρρψ χονχεντρατιον ανδ ϖελοχιτψ φροm 700 το 700 mς ατ α σωεεπ ρατε οφ 1 mς σ 1 ωιτη α πρε τρεατmεντ ατ 700 mς φορ 60 σ πριορ το τηε ινιτιατιον οφ τηε ποτεντιαλ σωεεπ το ρεmοϖε ανψ ρεσιδυαλ αιρ φορmεδ οξιδε φιλm. Ιν ποτεντιοστατιχ χονδιτιονσ, εροσιον χορροσιον τεστσ ωερε περφορmεδ ατ ποτεντιαλσ οφ 600, 0, 250, 500 mς φορ α ηαλφ ηουρ βψ υσινγ α χοmπυτερ χοντρολλεδ ΑΧΜ (ΓΙΛΛΑΧ) ποτεντιοστατ. Τηε ελεχτροχηεmιχαλ ιντερφαχε ατταχηεδ το τηε ριγ ωασ χονφιγυρεδ ασ σηοων ιν Φιγ. 5. Ιτ σηουλδ βε νοτεδ τηατ δυε το σολυτιον ρεσιστανχε, τηερε ωασ α δροπ ιν τηε αππλιεδ ποτεντιαλ φορ τηε mιλδ στεελ [10]. Ηενχε, τηε ποτεντιαλ ϖαλυεσ φορ τηε mιλδ στεελ ηαϖε βεεν χορρεχτεδ το ρεφλεχτ τηισ (τηε οριγιναλ ποτεντιαλσ φορ τηε mιλδ στεελ ωερε σιmιλαρ το τηοσε φορ τηε χοατινγ). Φορ τηε WΧ χοατινγ, τηε χυρρεντ δενσιτιεσ ρεχορδεδ ωερε σιγνιφιχαντλψ λοωερ τηαν τηε mιλδ στεελ. Ιν τηισ χασε, τηε ΙΡ δροπ ωασ χονσιδερεδ νοτ το βε σιγνιφιχαντ. 8

10 φλοω mετερ Ελεχτρολψτε Driving nozzle Ejector Test Specimen holder Exit nozzle Electrolyte + Erodent Suction the slurry Bypass valve Bypass valve Pump Filter Fig. 4: Slurry impingement erosion test rig based on the design of Zu et al [9]. Fig. 5: The electrochemical configuration of the three electrode cell used in the erosion-corrosion tests 9

11 2.4 Calculation of corrosion contribution Τηε mασσ λοσσ δυε το εροσιον χορροσιον, ασ δεφινεδ τοταλ ωασταγε, ωασ mεασυρεδ ασ δεσχριβεδ αβοϖε. Τηε χορροσιον χοντριβυτιον ωασ χαλχυλατεδ βψ Φαραδαψ σ λαω: Μ = Ι τ α / (ν Φ) (1) ωηερε Μ = mασσ λοσσ, Ι = χυρρεντ ιν Αmπερεσ, τ = τιmε ιν σεχονδσ, Φ = Φαραδαψ σ χονσταντ, ν = ελεχτρον ϖαλενχε οφ τηε mεταλ ανδ m= ατοmιχ mασσ οφ mεταλ. 3. Results 3.1 Erosion corrosion wastage data Τηε εροσιον χορροσιον ωασταγε ηασ βεεν δεφινεδ ιν πρεϖιουσ ωορκ [5 8, 11], ασ φολλοωσ: Κ εχ =Κ χ +Κ ε (2) ωηερε, Κ εχ ισ τηε mασσ λοσσ δυε το εροσιον χορροσιον, Κ ε ισ τηε mασσ λοσσ δυε το εροσιον ανδ Κ χ ισ mασσ λοσσ δυε το τηε χορροσιον. Φιγσ. 6 7 σηοω τηε mασσ λοσσ ρατε δυε το εροσιον χορροσιον ανδ ιτσ χοντριβυτιονσ (Κ ε ανδ Κ χ ) φορ τηε χοατεδ ανδ υνχοατεδ mατεριαλσ φυνχτιον οφ αππλιεδ ποτεντιαλσ ατ 3 σλυρρψ χονχεντρατιονσ ατ αν ιmπαχτ ϖελοχιτψ οφ 2 mσ 1. 10

12 Φορ βοτη mατεριαλσ, τηερε ωασ α γενεραλ ινχρεασε ιν τηε ωασταγε ρατεσ ωιτη αππλιεδ ποτεντιαλ, παρτιχυλαρλψ ατ τηε ηιγη ϖαλυεσ. Τηε εφφεχτ οφ σλυρρψ χονχεντρατιον αππεαρεδ το βε mορε σιγνιφιχαντ ατ ηιγη ποτεντιαλ ϖαλυεσ. Τηερε ωασ α σιmιλαριτψ ιν τηε εροσιον χορροσιον ρατε παττερν φορ τηε τωο ταργετ mατεριαλσ; ηοωεϖερ τηε mαγνιτυδε οφ mασσ λοσσ φορ τηε mιλδ στεελ ωασ γρεατερ τηαν τηατ φορ τηε WΧ/Χο Χρ χοατινγ. Φορ τηισ mατεριαλ, τηε χορροσιον χοντριβυτιον αππεαρεδ το βε δεπενδεντ ον αππλιεδ ποτεντιαλ, ανδ παρτιχλε χονχεντρατιον, ωιτη α γενεραλ ινχρεασε ωιτη αππλιεδ ποτεντιαλ ονλψ ατ τηε ηιγηερ παρτιχλε χονχεντρατιονσ, Φιγ. 6χ. Φιγσ. 8 9 ρεπρεσεντσ τηε mασσ λοσσ ρατε δυε το εροσιον χορροσιον ατ 4 αππλιεδ ποτεντιαλσ ανδ 3 σλυρρψ χονχεντρατιονσ, ατ 4 mσ 1. Αγαιν, τηε υνχοατεδ mατεριαλ (mιλδ στεελ) σηοωεδ α ηιγηερ ηιγη mασσ λοσσ ρατε ιν τηεσε χονδιτιονσ χοmπαρεδ ωιτη τηε χοατεδ mατεριαλ ανδ τηε ρατε οφ ινχρεασε ρεαχηεδ α mαξιmυm ατ ηιγηερ ποτεντιαλσ. Τηε ρεσυλτσ φορ τηε χοατινγ ινδιχατεδ α γενεραλλψ σιmιλαρ τρενδ το τηατ οβσερϖεδ ατ λοωερ ϖελοχιτιεσ, Φιγ. 6 7, ιν τηατ τηερε ωασ αν ινχρεασε ιν εροσιον χορροσιον ρατε ωιτη ινχρεασινγ αππλιεδ ποτεντιαλ. Ηοωεϖερ, τηε χηανγε ιν εροσιον ανδ χορροσιον ρατεσ ωιτη ινχρεασινγ ποτεντιαλ ωασ λεσσ χλεαρ, ωιτη νο χλεαρ τρενδ ασ α φυνχτιον οφ ινχρεασινγ ποτεντιαλ. 11

13 (α) 4% σλυρρψ χονχεντρατιον (α) 4% σλυρρψ χονχεντρατιον mass loss rate [mg h cm ] Kec Kc Ke mass loss rate [mg h cm ] Kec Kc Ke applied potential E [mv] applied potential E[mV] (β) 6% σλυρρψ χονχεντρατιον (β) 6% σλυρρψ χονχεντρατιον mass loss rate [mg h cm ] Kec Kc Ke mass loss rate [mg h cm ] Kec Kc Ke applied potential E [mv] applied potential E [mv] (χ) 8% σλυρρψ χονχεντρατιον (χ) 8% σλυρρψ χονχεντρατιον mass loss rate [mg h cm ] Ke c Kc Ke mass loss rate [mg h cm ] Kec Kc Ke applied potential E [mv] Fig. 6: Mass loss rates for the WC/Co- Cr coating as a function of applied potential at 2 ms -1 impact velocity applied potential E [mv] Fig. 7: Mass loss rates for mild steel as a function of applied potential at 2 ms -1 impact velocity 12

14 (α) 4% σλυρρψ χονχεντρατιον (α) 4% σλυρρψ χονχεντρατιον mass loss rate [ mg h cm ] Kec Kc Ke mass loss rate [mg h cm ] Kec Kc Ke applied potential E [mv]] applied potential E[mV] (β) 6% σλυρρψ χονχεντρατιον (β) 6% σλυρρψ χονχεντρατιον 9 Kec 350 Kec mass loss rate [mg h cm ] Kc Ke mass loss rate [mg h cm ] Kc Ke applied potential E [mv] applied potential E [mv] (χ) 8% σλυρρψ χονχεντρατιον (χ) 8% σλυρρψ χονχεντρατιον mass loss rate [mg h cm ] 9 Kec 8 Kc Ke applied potential E [mv] mass loss rate [mg h cm ] 350 Kec Kc 300 Ke applied potential E [mv] Fig. 8: Mass loss rates for the WC/Co- Cr coating as a function of applied potential at 4 ms -1 impact velocity Fig. 9: Mass loss rates for mild steel as a function of applied potential at 4 ms -1 impact velocity 13

15 3.2 Electrochemical monitoring Πολαριζατιον τεστσ ωερε χονδυχτεδ ιν σεα ωατερ χονδιτιονσ ιν ϖαριουσ εροσιον χονδιτιονσ ασ φολλοωσ: 1) ϖ= 2 mσ 1 ατ 4, 6 ανδ 8% σλυρρψ παρτιχλε χονχεντρατιονσ. 2) ϖ= 4 mσ 1 ατ 4, 6 ανδ 8% σλυρρψ παρτιχλε χονχεντρατιονσ. (α) ϖ= 2mσ 1 (α) ϖ= 2mσ 1 Ε, [Μϖ] % 6% 4% Ε, [Μϖ] % 6% 4% Λογ ι,[mα χm 2 ] (β) ϖ= 4mσ Λογ 1 ι,[mα χm 2 ] (β) ϖ= 4mσ 1 (β) ϖ= 4mσ 1 Ε, [Μϖ] % 6% 8% Λογ ι,[mα χm 2 ] Fig. 10: Polarization curve for the WC/Co-Cr coating Ε, [Μϖ] % 6% 8% Λογ ι,[mα χm 2 ] Fig. 11: Polarization curve for mild steel Τηε ρεσυλτσ, Φιγσ , ινδιχατεδ τηατ ατ βοτη ϖελοχιτιεσ τηερε ωασ α τενδενχψ φορ τηε ανοδιχ χυρρεντ δενσιτψ το ινχρεασε ωιτη ινχρεασινγ σλυρρψ χονχεντρατιον φορ τηε χοατεδ ανδ υνχοατεδ στεελ. Φορ βοτη mατεριαλσ, τηε χορροσιον ποτεντιαλ σηιφτεδ το λοωερ ϖαλυεσ 14

16 ωιτη ινχρεασινγ παρτιχλε χονχεντρατιον. Τηε ϖαλυεσ οφ τηε ανοδιχ χυρρεντ δενσιτιεσ αλσο αππεαρεδ το ινχρεασε ωιτη ινχρεασινγ ϖελοχιτψ, Φιγσ Φορ τηε mιλδ στεελ, τηεσε χυρρεντ δενσιτψ ϖαλυεσ ωερε ηιγηερ τηαν φορ τηε χοατινγ, ιmπλψινγ βεττερ χορροσιον ρεσιστανχε οφ τηε WΧ/Χο Χρ χοατινγ χοmπαρεδ ωιτη τηε mιλδ στεελ. 4. Discussion 4.1 Mechanisms of corrosion and erosion corrosion as a function of impact velocity and slurry concentration at different electrochemical conditions Ιτ ισ χλεαρ τηατ φροm τηε εροσιον χορροσιον δατα ανδ πολαριζατιον βεηαϖιουρ, Φιγσ. 6 11, τηατ τηε τρενδσ φορ mιλδ στεελ ανδ τηε χοατινγ διφφερ σιγνιφιχαντλψ. Φορ τηε mιλδ στεελ, τηε ϖαριατιον οφ χυρρεντ δενσιτψ ανδ εροσιον χορροσιον ρατε ωιτη ϖελοχιτψ ανδ χονχεντρατιον σηοωσ (Φιγσ. 7, 9 ανδ 11) α χλεαρ ινχρεασε ιν τηε mαγνιτυδε οφ ωασταγε ωιτη ινχρεασεσ ιν τηεσε παραmετερσ. Τηατ ισ ποσσιβλψ δυε το α χοmβινατιον οφ τωο πηενοmενα; αν ινχρεασε ιν mεχηανιχαλ δεφορmατιον λεαδινγ το γρεατερ αmουντ οφ συρφαχε αρεα αϖαιλαβλε φορ ατταχκ βψ τηε χορροσιϖε mεδια, ασ σηοων ον τηε σχαννινγ ελεχτρον mιχρογραπησ, Φιγ. 12, ανδ τηε εφφεχτσ οφ ινχρεασεδ τρανσπορτ οφ οξψγεν ιν τηε σολυτιον ατ ηιγηερ ϖελοχιτιεσ ι.ε. mασσ τρανσπορτ εφφεχτσ [12]. Βοτη οφ τηεσε προχεσσεσ οχχυρρινγ σιmυλτανεουσλψ ωουλδ σιγνιφιχαντλψ ενηανχε τηε χορροσιον ανδ εροσιον ρατε, ιν τηε εϖεντ οφ τηε χορροσιον προδυχτ νοτ αδηερινγ το τηε συρφαχε. Ιτ ισ λικελψ τηατ φερρουσ ιονσ αρε οξιδιζεδ το φερριχ ιονσ ωιτηιν τηε mασσ τρανσφερ διφφυσιον λαψερ φυρτηερ λεαδινγ το τηε δεϖελοπmεντ οφ λαψερσ ωηιχη mαψ βε ρεαδιλψ ρεmοϖεδ δυρινγ τηε εροσιον χορροσιον προχεσσ [13]. Τηε ρεmοϖαλ 15

17 οφ λοοσελψ αδηερεντ συρφαχε φιλmσ ωουλδ τηυσ ρεσυλτ ιν τηε ινχρεασε ιν τηε ανοδιχ χυρρεντ δενσιτιεσ [19] ασ οβσερϖεδ ιν Φιγ. 11. Τηε ρεσυλτσ φορ τηε χοατινγ Φιγσ. 6, 8 ανδ 10, διφφερ σιγνιφιχαντλψ φροm τηοσε φορ mιλδ στεελ, Φιγσ. 7, 9 ανδ 11 ασ τηε παρτιχλε χονχεντρατιον ισ ινχρεασεδ. Τηε mαγνιτυδε οφ mασσ λοσσ ισ αλmοστ τωο ορδερσ λεσσ φορ τηε χοατινγ φορ τηε χοmπονεντσ Κ ε, Κ χ ανδ Κ εχ ϖαλυεσ ατ βοτη ϖελοχιτιεσ. Τηερε ισ σοmε εϖιδενχε οφ α ρεταρδατιον ορ ρεδυχτιον ιν χορροσιον ρατε ανδ χορρεσπονδινγ εροσιον χορροσιον ρατε ατ ιντερmεδιατε χονχεντρατιον ϖαλυεσ ανδ ατ ηιγη ποτεντιαλσ. Τηε εροσιον χορροσιον προχεσσ οφ τηε χοmποσιτε ωιλλ χονσιστ οφ χοmπετιτιον βετωεεν δισσολυτιον ατ τηε ιντερφαχε βετωεεν τηε WΧ παρτιχλεσ ανδ τηε mατριξ, φορmατιον οφ α προτεχτιϖε χηροmιυm οξιδε φιλm οϖερ τηε Νι Χρ συρφαχε οφ τηε χορροσιον ατ τηε ιντερφαχε ανδ ρεmοϖαλ οφ τηε παρτιχλεσ ανδ συρφαχε φιλm. Ιτ ισ λικελψ τηατ τηερε αρε χηανγεσ ιν mεχηανισmσ οφ εροσιον χορροσιον ατ τηε ηιγηερ ποτεντιαλσ ανδ τηατ, ασ ωε αρε δεαλινγ ωιτη α τωο πηασε σψστεm, mορε τηαν ονε χορροσιον ρεγιmε ισ ιντεραχτινγ ωιτη τηε εροσιον προχεσσ. Ιτ ισ αλσο ποσσιβλε τηατ σανδ παρτιχλεσ αρε δεποσιτινγ ον τηε συρφαχεσ ανδ τηατ σαλτ δεποσιτσ φροm τηε χορροσιον προχεσσ αρε αλσο mοδιφψινγ τηε ωειγητ χηανγε παττερν. (Φορ τηε πυρποσε οφ mαππινγ τηε ρεγιmε τρανσιτιονσ, ωε ηαϖε νο mεανσ οφ διστινγυισηινγ τηε συβτλε χηανγεσ ιν βεηαϖιουρ ατ συχη ποτεντιαλσ ανδ ωε ασσυmε τηατ τηε δισσολυτιον οφ τηε ιντερφαχε βετωεεν τηε χαρβιδεσ ανδ τηε mατριξ mατεριαλ το βε τηε πρεδοmιναντ χορροσιον προχεσσ ασ α φιρστ αππροξιmατιον). Μεταλλογραπηιχ αναλψσισ, Φιγ 12 13, σηοωσ α χοmπαρισον βετωεεν τηε πλαστιχ δεφορmατιον ανδ γουγινγ τψπε φεατυρεσ οβσερϖεδ ον τηε mιλδ στεελ, Φιγ. 12, ανδ τηε mορε υνιφορm πενετρατιον οφ τηε χαρβιδε βασεδ mατεριαλ, Φιγ. 13. Ιν τηε λαττερ χασε, τηε ρεmοϖαλ οφ χαρβιδε παρτιχλεσ ποσσιβλψ ασσιστεδ βψ τηε χορροσιον προχεσσ ατ τηε παρτιχλε/βινδερ ιντερφαχε ισ τηε 16

18 πρεδοmιναντ ωασταγε mεχηανισm. Ηοωεϖερ, τηερε ισ νο εϖιδενχε οφ τηρουγη τηιχκνεσσ λοσσ οφ τηε χοατινγ το τηε συβστρατε (α) (β) (α) Fig. 12: SEM images of the eroded mild steel test specimen (a) At 4% slurry concentration, 4 ms -1 impact velocity, E= -35mV (b) At 8% slurry concentration, 4 ms -1 impact velocity, E= -35mV (β) Fig. 13: SEM images of the eroded morphologies of the WC/Co-Cr coating (a) At 4% slurry concentration, 4 ms -1 impact velocity, E= 500 mv (b) At 8% slurry concentration, 4 ms -1 impact velocity, E= 500 mv 4.2 Interactions between erosion and corrosion Πρεϖιουσ ωορκ ιν εροσιον χορροσιον ηασ αττεmπτεδ το ασσιγν α βασισ φορ α σψστεmατιχ ρατιοναλε ον ιδεντιφψινγ ρεγιmεσ οφ εροσιον χορροσιον βεηαϖιουρ. Α φιρστ στεπ ισ το συβδιϖιδε τηε προχεσσ ιντο τωο χοmπονεντσ ρεφλεχτινγ τηε τριβολογιχαλ ανδ χορροσιον 17

19 χοmπονεντσ ον τηειρ οων ανδ τωο τερmσ ωηιχη ρεπρεσεντ τηε διφφερεντ ιντεραχτιονσ [5 8, 11]. Φροm εθυατιον 2 αβοϖε, ιτ ηασ βεεν σηοων τηατ τηε εροσιον χορροσιον ιντεραχτιον χαν βε εξπρεσσεδ φυρτηερ ασ: Κ εχ =Κ χο +Κ εο + Κ ε + Κ χ (3) Τηε εροσιον ανδ χορροσιον χοντριβυτιονσ χαν βε ωριττεν ασ φολλοωσ Κ ε =Κ εο + Κ ε (4) Κ χ =Κ χο + Κ χ (5) ωηερε, Κ εχ =εροσιον χορροσιον ρατε, Κ εο =εροσιον ρατε ιν τηε αβσενχε οφ χορροσιον, Κ χο =χορροσιον ιν τηε αβσενχε οφ εροσιον, Κ χ =εφφεχτ οφ εροσιον ον χορροσιον (αδδιτιϖε εφφεχτ), Κ ε =εφφεχτ οφ χορροσιον ον εροσιον (σψνεργιστιχ εφφεχτ) Erosion-corrosion mechanism maps Ιτ ισ νοω α ωελλ εσταβλισηεδ χονϖεντιον ιν αθυεουσ εροσιον χορροσιον ρεσεαρχη το δεσχριβε ρεγιmεσ οφ εροσιον χορροσιον ον εροσιον χορροσιον mαπ [8, 13 14]. Εροσιον χορροσιον mαπσ χαν πρεσεντ τηε ιντεραχτιον βετωεεν τηε εροσιον ανδ χορροσιον προχεσσ ασ φυνχτιονσ οφ τηε mαιν προχεσσ παραmετερσ. Τηε ρεγιmεσ ον τηε mαπσ αρε δεφινεδ ιν τερmσ οφ τηε φολλοωινγ βουνδαρψ χονδιτιονσ γιϖεν βελοω [8, 13 14]: Κ ε / Κ χ < 0.1 Χορροσιον (6) 0.1< Κ ε / Κ χ < 1 Χορροσιον Εροσιον (7) 1< Κ ε / Κ χ < 10 Εροσιον Χορροσιον (6) Κ ε / Κ χ > 10 Εροσιον (8) 18

20 Τηε ρεγιmεσ χαν βε συβδιϖιδεδ φυρτηερ δεπενδινγ ον τηε χορροσιον προχεσσ τακινγ πλαχε ον τηε συρφαχε, ωιτη τηε χορροσιον τερm βεινγ ρεπλαχεδ βψ δισσολυτιον, πασσιϖατιον τρανσπασσιϖατιον ορ πιττινγ (ιδεντιφιεδ βψ τηε πολαριζατιον βεηαϖιουρ Φιγσ ) Τηε ϖαριουσ Κ ε / Κ χ ϖαλυεσ φορ χοατεδ ανδ υνχοατεδ mατεριαλ αρε χαλχυλατεδ ατ εαχη ποτεντιαλ υσινγ δατα ον Φιγυρεσ 6 9, ινδιχατινγ τηε ινδιϖιδυαλ χοντριβυτιονσ οφ βοτη εροσιον ανδ χορροσιον το τηε τοταλ εροσιον ωασταγε. Εροσιον χορροσιον mεχηανισmσ mαπσ, Φιγ. 14, χαν βε χονστρυχτεδ υσινγ τηε αβοϖε χριτερια, ωηερε τηε βουνδαριεσ αρε δεφινεδ α ρεσυλτ οφ αππλιεδ ποτεντιαλ ανδ σλυρρψ χονχεντρατιον ατ λοω ανδ ηιγη ιmπαχτ ϖελοχιτιεσ, ι.ε. 2 ανδ 4 mσ 1 ρεσπεχτιϖελψ. Τηε βουνδαριεσ βετωεεν τηε ρεγιmεσ αρε εξτραπολατεδ βψ ιδεντιφψινγ τηε χοmβινατιονσ οφ ποτεντιαλσ ανδ παρτιχλε χονχεντρατιονσ ωηερε τηε ϖαλυεσ οφ Κ ε /Κ χ χηανγε ασ ιδεντιφιεδ αβοϖε. Τηε εροσιον χορροσιον mαπσ, Φιγ. 14, αρε χονστρυχτεδ φορ τηε χοατεδ ανδ υνχοατεδ mατεριαλσ ιν σεα ωατερ χονδιτιονσ σηοωινγ τηε mεχηανιστιχ ιντεραχτιονσ δεσχριβεδ αβοϖε, βασεδ ον τηε ρεσυλτσ, Φιγυρεσ 6 9, ανδ τηε ρεγιmε δεσχριπτιονσ ασ δεσχριβεδ αβοϖε. Τηεσε mαπσ, Φιγ. 14(α δ), σηοω τηε τρανσιτιον βετωεεν εροσιον χορροσιον mεχηανισmσ ασ α φυνχτιον οφ παρτιχλε χονχεντρατιον ανδ αππλιεδ ποτεντιαλ ατ τωο ιmπαχτ ϖελοχιτιεσ. Χλεαρλψ τηε mαπ, Φιγ.14α, ινδιχατεσ τηατ ατ λοω χονχεντρατιονσ (λεσσ τηαν 6%) δισσολυτιον εροσιον δοmινατεσ ατ αλλ ποτεντιαλσ. Ηοωεϖερ αβοϖε τηισ χονχεντρατιον, τηε mεχηανισm σηιφτσ το εροσιον δισσολυτιον ωηερε τηε εροσιον mεχηανισm ινϖολϖεσ ρεmοϖαλ 19

21 οφ χαρβιδεσ (WΧ) βψ τηε λαργερ νυmβερ οφ παρτιχλεσ ιν τηε σλυρρψ στρεαm, ασ σηοων σχηεmατιχαλλψ, Φιγ.15. (α) WΧ/Χο Χρ χοατινγ ατ ϖ= 2mσ 1 (β) Μιλδ στεελ ατ ϖ= 2mσ 1 (χ) WΧ/Χο Χρ χοατινγ ατ ϖ= 4mσ 1 (δ) Μιλδ στεελ ατ ϖ= 4mσ 1 Fig. 14: Erosion corrosion mechanism maps for the WC/Co-Cr coating and mild steel coating in sea water conditions showing the variation of the erosion corrosion mechanisms as a function of slurry concentration and applied potential Ιν χοντραστ το τηε βεηαϖιουρ οβσερϖεδ φορ τηε χοατινγ, Φιγ. 14(α), τηε mαπ φορ τηε mιλδ στεελ, Φιγ. 14(β), ινδιχατεσ τηατ τηε δισσολυτιον εροσιον ρεγιmε εξτενδσ οϖερ α ωιδε αρεα ωηερε τηε ανοδιχ ρεαχτιον τακεσ πλαχε, ωιτη τηε εξχεπτιον το τηε βεηαϖιουρ οβσερϖεδ ατ ηιγη παρτιχλε χονχεντρατιονσ. Τηισ δισσολυτιον ρεγιmε σηιφτσ το λοωερ παρτιχλε χονχεντρατιονσ ατ ηιγηερ ϖελοχιτιεσ, Φιγ. 14(δ), ινδιχατινγ τηατ ινχρεασεσ ιν τηισ παραmετερ ρεσυλτσ ιν αν ινχρεασε ιν χορροσιον ρατε φορ τηισ mατεριαλ. Νοτ συρπρισινγλψ, εροσιον 20

22 mεχηανισmσ πρεδοmινατε οϖερ αλλ τηε χονχεντρατιονσ ανδ ϖελοχιτιεσ τεστεδ, ωηερε τηε συρφαχε ισ εξποσεδ το χατηοδιχ ποτεντιαλσ. Χορροσιον ατ τηε παρτιχλε/mατριξ ιντερφαχε Χαϖιτψ Παρτιχλε ρεmοϖαλ Fig. 15: Schematic diagram showing sequential stages of erosion-corrosion of the WC/Co-Cr coating. Τηε mαπσ φορ τηε χοατινγ, Φιγσ. 14(α,χ) ινδιχατε τηατ τηε δισσολυτιον εροσιον ρεγιmε εξτενδσ το ηιγηερ παρτιχλε χονχεντρατιονσ ατ τηε ηιγηερ ϖελοχιτιεσ, ινδιχατινγ αν ινχρεασε ιν χορροσιον χοντριβυτιον ωιτη ινχρεασινγ ϖελοχιτψ. Ηοωεϖερ, ιτ ισ ιντερεστινγ τηατ τηισ ινχρεασε ισ οβσερϖεδ ονλψ ατ ηιγηερ αππλιεδ ποτεντιαλσ ανδ mαψ, ασ δισχυσσεδ αβοϖε, mαψ βε αττριβυταβλε το τηε ηιγηερ mασσ τρανσπορτ οφ οξψγεν το τηε συρφαχε ατ συχη ϖελοχιτιεσ. (Ασ στατεδ αβοϖε, τηερε mαψ βε συβτλε χηανγεσ ιν τηε εροσιον χορροσιον βεηαϖιουρ ασ ιδεντιφιεδ ον τηε ωειγητ χηανγε δατα, Φιγ. 6, δυε το τηε φαχτ τηατ τηισ ισ α χοmποσιτε σψστεm. Ατ τηισ σταγε τηεσε συβτλετιεσ ηαϖε νοτ βεεν ιντροδυχεδ ιντο τηε εροσιον χορροσιον mεχηανισm mαπ.) Erosion-corrosion wastage maps Τηε mαππινγ χονχεπτ χαν αλσο βε υσεδ το χηαρτ τρανσιτιονσ ιν ωασταγε ρατεσ υσινγ σιmπλε λιmιτσ οφ Κ εχ ι.ε. ρανγινγ φροm λοω το mεδιυm ανδ ηιγη. Τηε λιmιτσ φορ τηε ωασταγε 21

23 βουνδαριεσ ωιλλ οφ χουρσε δεπενδ ον τηε ρεθυιρεmεντσ οφ τηε mατεριαλσ ανδ προχεσσ σπεχιφιχαλλψ υνδερ ινϖεστιγατιον. Ιν τηισ χασε, τηε ρεγιmε λιmιτσ αρε δεφινεδ [15] ασ τηε λιmιτσ βετωεεν τηε λοω ωασταγε ρεγιmε χορρεσπονδεδ το λεσσ ορ εθυαλ το 6 mγ η 1 χm 2, τηε mεδιυm ωασταγε ρεγιmε βετωεεν 6 το 50 mγ η 1 χm 2 ανδ τηε ηιγη ωασταγε ρεγιmε φορ τηε ϖαλυεσ γρεατερ τηαν 50 mγ η 1 χm 2. (α) WΧ/Χο Χρ χοατινγ ατ ϖ= 2mσ 1 (β) Μιλδ στεελ ατ ϖ= 2mσ 1 (χ) WΧ/Χο Χρ χοατινγ ατ ϖ= 4mσ 1 (δ) Μιλδ στεελ ατ ϖ= 4mσ 1 Fig. 16: Erosion corrosion wastage maps for the coated and uncoated materials in sea water conditions based on the results showing the variation of the wastage regimes as a function of slurry concentration and applied potential Τηε mαπσ φορ τηε χοατινγ ανδ τηε συβστρατε αρε σηοων ιν Φιγσ. 16(α δ). Τηεσε σηοω τηατ φορ τηε χοατινγ, τηε λοω ωασταγε ρεγιmε εξτενδσ οϖερ τηε εντιρε αρεα οφ τηε mαπ, Φιγ. 22

24 16(α), ατ λοω ϖελοχιτιεσ (2 mσ 1 ). Ηοωεϖερ ατ ηιγηερ ϖελοχιτιεσ, Φιγ.16(χ), τηερε ισ α τρανσιτιον το mεδιυm ωασταγε ατ ηιγηερ ποτεντιαλσ ασ ισ εξπεχτεδ ωιτη ηιγηερ ιmπαχτ ενεργψ ιντο τηε σψστεm. Φορ τηε mιλδ στεελ βψ χοντραστ, Φιγσ.16(β,δ), τηε λοω ωασταγε ρεγιmε ισ ονλψ αππλιχαβλε το χατηοδιχ χονδιτιονσ ασ ιδεντιφιεδ βψ τηε εξπεριmενταλ δατα, Φιγ. 7 ανδ 9. Τηερε ισ α τρανσιτιον το mεδιυm ανδ ηιγη ωασταγε ασ α φυνχτιον οφ ινχρεασινγ αππλιεδ ποτεντιαλ. Νοτ συρπρισινγλψ, ατ ηιγηερ ϖελοχιτιεσ, Φιγ. 16(δ), τηε ηιγη ωασταγε ρεγιmε ισ ενλαργεδ ωιτη τηισ ρεγιmε εξτενδινγ το λοωερ ποτεντιαλσ. Τηυσ ιν α ϖερψ σιmπλε ωαψ, τηεσε mαπσ ινδιχατε τηε σιγνιφιχαντ διφφερενχεσ βετωεεν τηε ωασταγε λεϖελσ εξπεριενχε βψ τηε χοατινγ ανδ στεελ ιν τηε σλυρρψ ενϖιρονmεντ οϖερ τηε ωινδοω οφ χονδιτιονσ τεστεδ ιν τηε στυδψ Erosion-corrosion additive-synergism maps Τηε σιγνιφιχαντ αδϖανταγε οφ συβ διϖιδινγ ρεγιmεσ οφ εροσιον χορροσιον βεηαϖιουρ ισ τηατ ιτ εναβλεσ mανψ διφφερεντ κινδσ οφ mεχηανιστιχ ιντεραχτιονσ το βε ιδεντιφιεδ βψ mατηεmατιχαλ mανιπυλατιον οφ τηε τερmσ ιν εθυατιον 2. Ηενχε, α ϖαριετψ οφ διαγραmσ χαν βε γενερατεδ βασεδ ον τηεσε διστινχτιονσ. Αν ιmπορταντ ασπεχτ ιν ανψ εροσιον χορροσιον ιντεραχτιον ισ τηε εξτεντ το ωηιχη χορροσιον αφφεχτσ τηε εροσιον βεηαϖιουρ ϖερσυσ ηοω εροσιον αφφεχτσ τηε χορροσιον βεηαϖιουρ. Ιν συχη χασεσ, α mετηοδολογψ mυστ βε γενερατεδ το ιδεντιφψ ωηιχη οφ τηεσε προχεσσεσ ωιλλ πρεδοmινατε. Α mετηοδ οφ αδδρεσσινγ τηισ ισσυε ισ το ασσιγν ρατιοσ το τηε σο χαλλεδ αδδιτιϖε ανδ σψνεργιστιχ τερmσ ασ ιδεντιφιεδ ιν εθυατιον 1. Τηε φολλοωινγ ρεγιmε διστινχτιονσ χαν βε γενερατεδ [15]: 23

25 ΔΚ ε /ΔΚ χ < 0.1 Αδδιτιϖε (8) 0.1<ΔΚ ε /ΔΚ χ < 1 Αδδιτιϖε Σψνεργιστιχ (9) ΔΚ ε /ΔΚ χ > 1 Σψνεργιστιχ (10) Νεγατιϖε σψνεργισm, ισ νεχεσσαρψ το δεφινε ανδ χαν βε τερmεδ ασ ανταγονιστιχ βεηαϖιουρ [8, 15]. Ταβλεσ 2 3 ινδιχατε τηε ϖαλυεσ οφ ΔΚ ε /ΔΚ χ ρατιο φορ τηε χοατεδ ανδ υνχοατεδ συβστρατε, σηοωινγ τηε χηανγε ιν τηε ρατιο ασ α φυνχτιον οφ σλυρρψ χονχεντρατιον ανδ αππλιεδ ποτεντιαλ ατ 2 ανδ 4 mσ 1 ιmπαχτ ϖελοχιτιεσ. Τηε mαπσ φορ τηε σψνεργιστιχ αδδιτιϖε χοντριβυτιονσ, Φιγ. 17(α δ), σηοω τηατ ατ λοω ϖελοχιτιεσ, τηε ρελατιϖε χοντριβυτιον οφ σψνεργιστιχ ϖερσυσ αδδιτιϖε εροσιον χορροσιον βεηαϖιουρ ισ mορε προνουνχεδ φορ τηε χοατινγ βψ χοmπαρισον το τηε συβστρατε ατ τηε ηιγηερ παρτιχλε χονχεντρατιονσ. Ηενχε, σψνεργιστιχ εφφεχτσ αρε mορε δοmιναντ φορ τηε χοατινγ τηαν φορ τηε συβστρατε. Τηισ γρεατερ πρεδοmινανχε οφ σψνεργιστιχ βεηαϖιουρ φορ τηε χοατινγ ισ, ασ δισχυσσεδ εαρλιερ, δυε το τηε αχτιον οφ τηε χορροσιον προχεσσ ατ τηε ιντερφαχε βετωεεν τηε χαρβιδε παρτιχλεσ ανδ τηε mατριξ ανδ τηυσ mακινγ τηε χοατινγ mορε ϖυλνεραβλε το ωεαρ, Φιγ. 15. Συχη οβσερϖατιονσ φορ τηε χοατινγ αρε συππορτεδ βψ τηε συρφαχε φεατυρεσ ασ ιδεντιφιεδ ον τηε mιχρογραπησ, Φιγ. 13. Τηε χηανγε ιν παττερν φορ τηε χοατινγ ατ ηιγηερ ϖελοχιτιεσ, Φιγ. 17 (χ), mαψ ατ βε δυε το τηε φορmατιον οφ αν υνσταβλε φιλm ποσσιβλψ α σαλτ φιλm ον τηε συρφαχε. Ιτ mαψ αλσο βε δυε το ινχορπορατιον οφ χορροσιον προδυχτσ (οξιδεσ), σηοων ιν τηε ΕDΞ αναλψσισ Φιγ.18, ορ σανδ παρτιχλεσ ιν τηε mατριξ ωηερε χαρβιδε πυλλ ουτ φροm τηε εροσιον προχεσσ ηασ 24

26 οχχυρρεδ. Ασ δισχυσσεδ αβοϖε, τηε εροσιον χορροσιον οφ τηε χοmποσιτε mατεριαλ ισ ποσσιβλψ αν αmαλγαm οφ α ωιδε ρανγε οφ ποσσιβλε ιντεραχτιονσ ον τηε συρφαχε οχχυρρινγ δυρινγ ανψ ονε τιmε ιντερϖαλ. Τηε ασσεσσmεντ οφ ωηιχη οφ τηεσε πρεδοmινατε οϖερ α ρανγε οφ εξπεριmενταλ ϖαριαβλεσ ισ τηε mοστ ιmπορταντ χηαλλενγε φορ ρεσεαρχηερσ ιν φυτυρε ωορκ. Τηε σψνεργιστιχ εφφεχτ οβσερϖεδ ατ ηιγηερ ϖελοχιτιεσ φορ τηε mιλδ στεελ, Φιγ. 17(δ), mαψ βε δυε το τηε εφφεχτσ οφ πιττινγ ιν τηε χηλοριδε σολυτιον mακινγ ιτ mορε συσχεπτιβλε το εροσιον βψ τηε σανδ παρτιχλεσ. Φυρτηερ ωορκ ωιλλ βε το ινϖεστιγατε τηε βασισ οφ συχη ρεγιmεσ ιδεντιφιεδ ον τηεσε mαπσ φορ βοτη χοατινγ ανδ συβστρατε ιν ορδερ το ιδεντιφψ τηε συβτλε mεχηανιστιχ χηανγεσ ιν τηε εροσιον χορροσιον προχεσσ ασ δισχυσσεδ αβοϖε. 25

27 Table 2: ΔK e /ΔK c values for the WC/Co-Cr coating and mild steel as a function of applied potential and slurry concentration at 2 ms -1 (a) WC/Co-Cr at 4% slurry concentration (d) Mild steel at 4% slurry concentration Ποτεντιαλ ΔΚ χ ΔΚ ε ΔΚ ε /ΔΚ χ Ποτεντιαλ ΔΚ χ ΔΚ ε ΔΚ ε /ΔΚ χ (b) WC/Co-Cr at 6% slurry concentration (e) Mild steel at 6% slurry concentration Ποτεντιαλ ΔΚ χ ΔΚ ε ΔΚ ε /ΔΚ χ Ποτεντιαλ ΔΚ χ ΔΚ ε ΔΚ ε /ΔΚ χ (c) WC/Co-Cr at 8% slurry concentration (f) Mild steel at 8% slurry concentration Ποτεντιαλ ΔΚ χ ΔΚ ε ΔΚ ε /ΔΚ χ Ποτεντιαλ ΔΚ χ ΔΚ ε ΔΚ ε /ΔΚ χ

28 Table 3: ΔK e /ΔK c values for the WC/Co-Cr coating and mild steel as a function of applied potential and slurry concentration at 4 ms -1 (a) WC/Co-Cr at 4% slurry concentration (d) Mild steel at 4% slurry concentration Ποτεντιαλ ΔΚ χ ΔΚ ε ΔΚ ε /ΔΚ χ Ποτεντιαλ ΔΚ χ ΔΚ ε ΔΚ ε /ΔΚ χ (b) WC/Co-Cr at 6% slurry concentration (e) Mild steel at 6% slurry concentration Ποτεντιαλ ΔΚ χ ΔΚ ε ΔΚ ε /ΔΚ χ Ποτεντιαλ ΔΚ χ ΔΚ ε ΔΚ ε /ΔΚ χ (c) WC/Co-Cr at 8% slurry concentration (f) Mild steel at 8% slurry concentration Ποτεντιαλ ΔΚ χ ΔΚ ε ΔΚ ε /ΔΚ χ Ποτεντιαλ ΔΚ χ ΔΚ ε ΔΚ ε /ΔΚ χ

29 (α) WΧ/Χο Χρ χοατινγ ατ ϖ= 2mσ 1 (β) Μιλδ στεελ ατ ϖ= 2mσ (χ) WΧ/Χο Χρ χοατινγ ατ ϖ= 4mσ 1 (δ) Μιλδ στεελ ατ ϖ= 4mσ 1 Fig. 17: Erosion corrosion additive-synergism maps for coated and uncoated materials as a function of slurry concentration and applied potential Fig. 18: EDX analysis of the coating following exposure to the erosion-corrosion test, showing evidence for formation of oxide film on the surface 28

30 4.2.4 Material performance maps Φιναλλψ, mατεριαλσ περφορmανχε mαπσ, Φιγ.19, χαν βε δεϖελοπεδ ασ α φυνχτιον οφ αππλιεδ ποτεντιαλ ανδ σλυρρψ χονχεντρατιον ατ 2 ανδ 4 mσ 1 βψ συπεριmποσινγ τηε λοω ωασταγε ρεγιmεσ οφ Φιγ. 16 ον α σινγλε σπαχε. Τηε mαπσ ινδιχατε τηε ρανγε οφ mατεριαλσ φαϖουρεδ υνδερ τηε χονδιτιονσ τεστεδ. Ατ λοω ϖελοχιτιεσ (2 mσ 1 ), τηε mαπ Φιγ. 19(α) ινδιχατεσ ιν χατηοδιχ χονδιτιονσ βοτη τηε χοατινγ ανδ τηε mιλδ στεελ αρε φαϖουρεδ υνδερ τηε χριτερια ουτλινεδ ιν τηε χονστρυχτιον οφ τηε mαπ. Ηοωεϖερ, ατ ηιγηερ ποτεντιαλσ τηερε ισ α χηανγε ιν περφορmανχε ωιτη τηε χοατινγ φαϖουρεδ ιν πρεφερενχε το τηε στεελ ωηιχη ισ δυε το τηε σιγνιφιχαντλψ λοωερ ωασταγε ρατεσ εξπεριενχε βψ τηε χοατινγσ ασ ιδεντιφιεδ ιν Φιγσ. 6, 8. Τηισ ισ αλσο οβσερϖεδ ατ ηιγηερ ϖελοχιτιεσ, Φιγ. 19(β). Χλεαρλψ συχη mαπσ προϖιδε υσεφυλ ινφορmατιον ον εροσιον χορροσιον mεχηανισmσ, εξτεντ οφ σψνεργψ βετωεεν τηε τριβολογιχαλ ανδ χορροσιον χοmπονεντσ ανδ σελεχτιον οφ mατεριαλσ ανδ συρφαχε τρεατmεντσ. Φυτυρε ωορκ ιν τηισ αρεα ωιλλ βε το ιδεντιφψ υσινγ αδϖανχεδ mιχροσχοπιχ τεχηνιθυεσ mεχηανιστιχ χηανγεσ ιν τηε εροσιον χορροσιον προχεσσ ασ φυνχτιονσ οφ τηε ϖαριαβλεσ αδδρεσσεδ ιν τηισ στυδψ ιν αδδιτιον το δεϖελοπινγ mατηεmατιχαλ mοδελσ οφ τηε προχεσσ βψ ωηιχη τηεσε χοατινγσ αρε ρεmοϖεδ φροm τηε συρφαχε. 29

31 (α) (β) Fig. 19: Material performance maps at impact velocities of (a) 2 ms -1 (b) 4 ms -1 30

32 5. Conclusions Τηε εφφεχτσ οφ σλυρρψ χονχεντρατιον ανδ ελεχτροχηεmιχαλ ποτεντιαλ ον τηε εροσιον χορροσιον βεηαϖιουρ οφ α WΧ/Χο Χρ χοατινγ ανδ α mιλδ στεελ συβστρατε ηαϖε βεεν ασσεσσεδ ιν σεα ωατερ χονταινινγ σανδ παρτιχλεσ ατ ϖαριουσ ιmπαχτ ϖελοχιτιεσ. Μεχηανισmσ οφ εροσιον χορροσιον ηαϖε βεεν ιδεντιφιεδ φορ βοτη τηε χοατινγ ανδ τηε στεελ. Σιγνιφιχαντ διφφερενχεσ ηαϖε βεεν οβσερϖεδ ανδ τηεσε ηαϖε βεεν αττριβυτεδ το τηε ιντεραχτιον βετωεεν εροσιον ανδ χορροσιον οφ α mονολιτηιχ mατεριαλ χοmπαρεδ το α χοmποσιτε βασεδ χοατινγ. ςαριουσ εροσιον χορροσιον mαπσ ηαϖε βεεν χονστρυχτεδ βασεδ ον τηε ρεσυλτσ, σηοωινγ τηεσε ιντεραχτιονσ. Ματεριαλ περφορmανχε mαπσ ηαϖε βεεν δεϖελοπεδ βασεδ ον τηε ρεσυλτσ σηοωινγ τηατ αππλιεδ ποτεντιαλ, σλυρρψ χονχεντρατιον ανδ ιmπαχτ ϖελοχιτψ χαν ηαϖε α σιγνιφιχαντ εφφεχτ ον τηε mατεριαλ οπτιmιζατιον φορ τηε εξποσυρε χονδιτιονσ ωιτη mαρκεδ χηανγεσ ιν τηε περφορmανχε ενϖελοπε φορ βοτη τηε χοατινγ ανδ τηε στεελ ωηεν τηεσε παραmετερσ αρε ϖαριεδ. 31

33 6. References 1. Χ. Χηυανξιαν, Η. Βινγταιν ανδ Λ. Ηυιλινγ, Πλασmα ωεαρ ρεσιστανχε οφ χεραmιχ ανδ χερmετ χοατινγ mατεριαλσ, Τηιν Σολιδ Φιλmσ 118 (1984) Α. Καριmι, Χ. ςερδον ανδ Γ. Βαρβεζατ, Μιχροστρυχτυρε ανδ ηψδροαβρασιϖε ωεαρ βεηαϖιουρ οφ ηιγη ϖελοχιτψ οξψ φυελ τηερmαλλψ σπραψεδ WΧ Χο (Χρ) χοατινγσ, Συρφαχε ανδ Χοατινγσ Τεχηνολογψ, 57 (1993) Μ. Βϕαρδαλ, Ε. Βαρδαλ, Τ. Ρογνε, Τ. Γ. Εγγεν, Εροσιον ανδ χορροσιον προπερτιεσ οφ WΧ χοατινγσ ανδ δυπλεξ σταινλεσσ στεελ ιν σανδ χονταινινγ σψντηετιχ σεα ωατερ, Wεαρ (1995) ϑ. Βεργετ, Ε. Βαρδαλ, Τ. Ρογνε, Εφφεχτσ οφ ποωδερ χοmποσιτιον ον εροσιον, χορροσιον, ανδ εροσιον χορροσιον προπερτιεσ οφ ΗςΟΦ σπραψεδ WΧ βασεδ χοατινγσ, Προχ. Ιντ. Τηερmαλ Σπραψ Χονφ. 1 (1998) Μ. Μ. Σταχκ ανδ D. Πενα, Σολιδ παρτιχλε εροσιον οφ Νι Χρ/WΧ mεταλ mατριξ χοmποσιτεσ ατ ελεϖατεδ τεmπερατυρεσ: χονστρυχτιον οφ εροσιον mεχηανισm ανδ προχεσσ χοντρολ mαπσ", Wεαρ (1997) Μ.Μ. Σταχκ ανδ Τ.Μ. Αβδ Ελ Βαδια, Ον τηε χονστρυχτιον οφ εροσιον χορροσιον mαπσ φορ WΧ/Χο Χρ βασεδ χοατινγσ ιν αθυεουσ χονδιτιονσ, Wεαρ 261 (2006) Μ.Μ. Σταχκ, Ψ. Πυρανδαρε ανδ Π. Ηοϖσεπιαν, Ιmπαχτ ανγλε εφφεχτσ ον τηε εροσιον χορροσιον οφ συπερλαττιχε ΧρΝ/ΝβΝ ΠςD χοατινγσ, Συρφαχε ανδ Χοατινγσ Τεχηνολογψ (2004) Μ.Μ. Σταχκ ανδ Ν. Πυνγωιωατ, Εροσιον χορροσιον mαππινγ οφ Φε ιν αθυεουσ σλυρριεσ: σοmε ϖιεωσ ον α νεω ρατιοναλε φορ δεφινινγ τηε εροσιον χορροσιον ιντεραχτιον, Wεαρ 256 (2004)

34 9. ϑ. Β. Ζυ, Ι. Μ. Ηυτχηινγσ, Γ. Τ. Βυρστειν, Dεσιγν οφ σλυρρψ τεστ ριγ, Wεαρ 140 (1990) ϑ. Χ. Μψλανδ ανδ Κ. Β. Ολδηαm, Υνχοmπενσατεδ Ρεσιστανχε: Τηε Εφφεχτ οφ Χελλ Γεοmετρψ Αναλψτιχαλ Χηεmιστρψ 72 (2000) Μ.Μ. Σταχκ ανδ Β.D. ϑανα, Μοδελλινγ παρτιχυλατε εροσιον χορροσιον ιν αθυεουσ σλυρριεσ: σοmε ϖιεωσ ον τηε χονστρυχτιον οφ εροσιον χορροσιον mαπσ φορ α ρανγε οφ πυρε mεταλσ, Wεαρ, 256 (2004) Μ. Μ. Σταχκ, ϑ. Σ. ϑαmεσ ανδ Θ. Λυ, Εροσιον χορροσιον οφ χηροmιυm στεελ ιν α ροτατινγ χψλινδερ ελεχτροδε σψστεm: σοmε χοmmεντσ ον παρτιχλε σιζε εφφεχτσ, Wεαρ 256 (2004) Μ. Μ. Σταχκ, Ν. Χορλεττ ανδ Σ. Τυργοοσε, Σοmε τηουγητσ ον mοδελλινγ τηε εφφεχτσ οφ οξψγεν ανδ παρτιχλε χονχεντρατιον ον τηε εροσιον χορροσιον οφ στεελσ ιν αθυεουσ σλυρριεσ Wεαρ 255 (2003) Μ.Μ. Σταχκ ανδ Β.D. ϑανα, Μοδελλινγ παρτιχυλατε εροσιον χορροσιον ρεγιmε τρανσιτιονσ φορ Αλ/Αλ 2 Ο 3 ανδ Χυ/Αλ 2 Ο 3 ΜΜΧσ ιν αθυεουσ χονδιτιονσ, Τριβολογψ Ιντερνατιοναλ 38 (2006) Μ.Μ. Σταχκ ανδ Τ.Μ. Αβδ Ελ Βαδια, Μαππινγ εροσιον χορροσιον οφ WΧ/Χο Χρ βασεδ χοmποσιτε χοατινγσ: Παρτιχλε ϖελοχιτψ ανδ αππλιεδ ποτεντιαλ εφφεχτσ, Συρφαχε ανδ Χοατινγσ Τεχηνολογψ 201 (2006)

35 7. Captions for figures Φιγ.1: ΕDΞ αναλψσισ οφ τηε χοατινγ [6] Φιγ. 2: Οπτιχαλ mιχροσχοπψ οφ χροσσ σεχτιον οφ τηε χοατινγ mορπηολογψ [6] Φιγ. 3: Σιλιχα σανδ υσεδ ιν τηε εροσιον χορροσιον τεστσ Φιγ. 4: Σλυρρψ ιmπινγεmεντ εροσιον τεστ ριγ βασεδ ον τηε δεσιγν οφ Ζυ ετ αλ [9]. Φιγ. 5: Τηε ελεχτροχηεmιχαλ χονφιγυρατιον οφ τηε τηρεε ελεχτροδε χελλ υσεδ ιν εροσιον χορροσιον τεστσ Φιγ. 6: Μασσ λοσσ ρατεσ φορ τηε WΧ/Χο Χρ χοατινγ ασ α φυνχτιον οφ αππλιεδ ποτεντιαλ ατ 2 mσ 1 ιmπαχτ ϖελοχιτψ Φιγ. 7: Μασσ λοσσ ρατεσ φορ mιλδ στεελ ασ α φυνχτιον οφ αππλιεδ ποτεντιαλ ατ 2 mσ 1 ιmπαχτ ϖελοχιτψ Φιγ. 8: Μασσ λοσσ ρατεσ φορ τηε WΧ/Χο Χρ χοατινγ ασ α φυνχτιον οφ αππλιεδ ποτεντιαλ ατ 4 mσ 1 ιmπαχτ ϖελοχιτψ Φιγ. 9: Μασσ λοσσ ρατεσ φορ mιλδ στεελ ασ α φυνχτιον οφ αππλιεδ ποτεντιαλ ατ 4 mσ 1 ιmπαχτ ϖελοχιτψ Φιγ. 10: Πολαριζατιον χυρϖε φορ τηε WΧ/Χο Χρ χοατινγ Φιγ. 11: Πολαριζατιον χυρϖε φορ mιλδ στεελ Φιγ. 12: ΣΕΜ ιmαγεσ οφ τηε εροδεδ mιλδ στεελ τεστ σπεχιmεν (α) Ατ 4% σλυρρψ χονχεντρατιον, 4 mσ 1 ιmπαχτ ϖελοχιτψ, Ε= 35mς (β) Ατ 8% σλυρρψ χονχεντρατιον, 4 mσ 1 ιmπαχτ ϖελοχιτψ, Ε= 35mς Φιγ. 13: ΣΕΜ ιmαγεσ οφ τηε εροδεδ mορπηολογιεσ οφ τηε WΧ/Χο Χρ χοατινγ (α) Ατ 4% σλυρρψ χονχεντρατιον, 4 mσ 1 ιmπαχτ ϖελοχιτψ, Ε= 500 mς (β) Ατ 8% σλυρρψ χονχεντρατιον, 4 mσ 1 ιmπαχτ ϖελοχιτψ, Ε= 500 mς Φιγ. 14: Εροσιον χορροσιον mεχηανισm mαπσ φορ τηε WΧ/Χο Χρ χοατινγ ανδ mιλδ στεελ χοατινγ ιν σεα ωατερ χονδιτιονσ σηοωινγ τηε ϖαριατιον οφ τηε εροσιον χορροσιον mεχηανισmσ ασ α φυνχτιον οφ σλυρρψ χονχεντρατιον ανδ αππλιεδ ποτεντιαλ Φιγ. 15: Σχηεmατιχ διαγραm σηοωινγ σεθυεντιαλ σταγεσ οφ εροσιον χορροσιον οφ τηε WΧ/Χο Χρ χοατινγ 34

36 Φιγ. 16: Εροσιον χορροσιον ωασταγε mαπσ φορ χοατεδ ανδ υνχοατεδ mατεριαλσ ιν σεα ωατερ χονδιτιονσ βασεδ ον τηε ρεσυλτσ σηοωινγ τηε ϖαριατιον οφ τηε ωασταγε ρεγιmεσ ασ α φυνχτιον οφ σλυρρψ χονχεντρατιον ανδ αππλιεδ ποτεντιαλ Φιγ. 17: Εροσιον χορροσιον αδδιτιϖε σψνεργισm mαπσ φορ χοατεδ ανδ υνχοατεδ mατεριαλσ ασ α φυνχτιον οφ σλυρρψ χονχεντρατιον ανδ αππλιεδ ποτεντιαλ Φιγ. 18: ΕDΞ αναλψσισ οφ τηε χοατινγ φολλοωινγ εξποσυρε το τηε εροσιον χορροσιον τεστ, σηοωινγ εϖιδενχε φορ φορmατιον οφ οξιδε φιλm ον τηε συρφαχε. Φιγ. 19. Εροσιον χορροσιον mατεριαλσ περφορmανχε mαπ βασεδ ον τηε ρεσυλτσ. 35

37 8. Captions for tables Ταβλε 1: Χοmποσιτιον οφ τηε χοατινγ τεστεδ Ταβλε 2: ΔΚ ε /ΔΚ χ ϖαλυεσ φορ τηε WΧ/Χο Χρ χοατινγ ανδ mιλδ στεελ ασ α φυνχτιον οφ αππλιεδ ποτεντιαλ ανδ σλυρρψ χονχεντρατιον ατ 2 mσ 1 Ταβλε 3: ΔΚ ε /ΔΚ χ ϖαλυεσ φορ τηε WΧ/Χο Χρ χοατινγ ανδ mιλδ στεελ ασ α φυνχτιον οφ αππλιεδ ποτεντιαλ ανδ σλυρρψ χονχεντρατιον ατ 4 mσ 1 36