Study of tribological, corrosion and tribocorrosion behavior of new martensitic stainless steels for aeronautical applications

Abstract

[EN] The present study is part of the work carried out in the MEKINOX project (Mécanique Inoxydable - FUI n° 11) conducted by aeronautical industry with the main goal of developing new stainless steels for manufacturing high mechanical performance parts. Martensitic stainless steels are widely used in a great variety of industrial applications (i.e. valves, pumps, turbines, compressor components) where high mechanical properties as strength, wear resistance and fatigue behavior are needed. In many of those applications, such as bearings or gears, martensitic stainless steels may be subject to tribological conditions leading to wear. Furthermore, when a contact operates in a corrosive environment its deterioration can be significantly affected by the surface chemical phenomena, leading to a tribocorrosion degradation mechanism. Under this framework, the present Doctoral Thesis aims to evaluate the tribological, corrosion and tribocorrosion behavior of new martensitic stainless steels and their degradation mechanisms for aeronautical applications. For this, electrochemical, tribo-electrochemical and ex-situ surface analysis techniques were used. Wear damage was found to be critically affected by the hardness of the material and its hardening during sliding. Martensitic stainless steels showed higher scratch wear resistance but higher wear material loss when compared to the austenitic stainless steel. Corrosion resistance of martensitic stainless steels is driven by their passivity, whose kinetics can be described through a high field conduction model. Passive dissolution rate depends on the surface chemistry of the material, thus decreasing with the Cr content in the passive film. Degradation mechanisms involved in tribocorrosion of martensitic stainless steels included plastic deformation, shakedown and low-cycle fatigue. The consequences of those involved mechanisms depended on the prevailing electrochemical conditions.

[ES] El presente estudio es parte del trabajo realizado en el proyecto MEKINOX (Mécanique Inoxydable - FUI n° 11) llevado a cabo por la industria aeronáutica, con el objetivo principal de desarrollar nuevos aceros inoxidables para la fabricación de piezas con altas prestaciones mecánicas. Los aceros inoxidables martensíticos son ampliamente utilizados en una gran variedad de aplicaciones industriales (p.e. válvulas, bombas, turbinas, componentes de compresores...) donde altas propiedades mecánicas, como la resistencia al desgaste y a la fatiga son requeridos. En muchas de estas aplicaciones, tales como rodamientos o engranajes, los aceros inoxidables martensíticos pueden estar sujetos a condiciones tribológicas que conducen al desgaste. Además, cuando un contacto opera en un ambiente corrosivo su deterioro puede verse afectado de manera significativa por los fenómenos químicos de superficie, lo que conduce a un mecanismo de degradación de tribocorrosión. Bajo este contexto, la presente Tesis Doctoral tiene como objetivo evaluar el comportamiento tribológico, frente a la corrosión y a la tribocorrosión de nuevos aceros inoxidables martensíticos y sus mecanismos de degradación en aplicaciones aeronáuticas. Para ello, se han utilizado técnicas electroquímicas, tribo-electroquímicas y de análisis de superficie ex situ. El desgaste depende de la dureza del material y de su endurecimiento durante el deslizamiento. Los aceros inoxidables martensíticos tienen una mayor resistencia al rallado pero una mayor pérdida de material en el ensayo tribológico de desgaste si se compara con el acero inoxidable austenítico. La resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables martensíticos es promovida por su pasividad, cuya cinética puede ser descrita a través de un modelo tipo high field. La velocidad de disolución pasiva depende de la química de la superficie del material, disminuyendo por lo tanto con el contenido de Cr en la película pasiva. Los mecanismos de degradación de tribocorrosión de los aceros inoxidables martensíticos incluyen deformación plástica, shakedown y fatiga de bajo ciclo. Las consecuencias de esos mecanismos dependen de las condiciones electroquímicas del sistema.

[CA] El present estudi és part del treball realitzat al projecte MEKINOX (Mécanique Inoxydable - FUI n° 11) dut a terme per la indústria aeronàutica, amb l'objectiu principal de desenvolupar nous acers inoxidables per a la fabricació de peces amb altes prestacions mecàniques. Els acers inoxidables martensítics són utilitzats en una gran varietat d'aplicacions industrials (vàlvules, bombes, turbines, components de compressors...) on altes propietats mecàniques, com la resistència al desgast i a la fatiga són requerits. En moltes d'aquestes aplicacions, com rodaments o engranatges, els acers inoxidables martensítics poden estar subjectes a condicions tribològiques que condueixen al desgast. Ademés, quan un contacte opera dins un ambient corrosiu el seu deteriorament es pot veure afectat de manera significativa pels fenòmens químics de superfície, el que condueix a un mecanisme de degradació de tribocorrosió. Sota aquest context, la present Tesi Doctoral té com a objectiu evaluar el comportament tribològic, front a la corrosió i a la tribocorrosió de nous acers inoxidables martensítics i els seus mecanismes de degradació en aplicacions aeronàutiques. Per tot això, es van utilitzar tècniques electroquímiques, tribo-electroquímiques i d'anàlisi de superfície ex-situ. El desgast depen de la duresa del material i del seu enduriment durant el lliscament. Els acers inoxidables martensítics van mostrar una major resistència al ratllat però una major pèrdua de material en l'assaig tribològic de desgast si es compara amb l'acer inoxidable austenític. La resistència a la corrosió dels acers inoxidables martensítics és promoguda per la seva passivitat, i la seua la cinètica pot ser descrita a través d'un model de tipus high field. La velocitat de dissolució passiva depen de la química de la superfície del material, disminuint per tant amb el contingut de Cr a la pel.lícula passiva. Els mecanismes de degradació en tribocorrosió dels acers inoxidables martensítics inclouen deformació plàstica, shakedown i fatiga de baix cicle. Les conseqüències d'aquests mecanismes implicats depenen de les condicions electroquímiques del sistema.