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

Abstract

A piece of a Kort nozzle, a ring-shaped component enclosing a ship's propeller severely damaged by cavitation was examined. The nozzle was made of stainless steel grade AISI 316L. The piece of steel examined exhibits a damage gradient which can be explained by cavitation of regionally varying severity. Areas severely stressed by cavitation are characterized by an increased material removal and high surface roughness. Since avitation-induced material removal can be attributed to a mechanical damage to the surface, the aim was to investigate the microstructural changes in the steel. Samples were taken along the gradient and cross-sections were prepared. The etched metallographic section revealed clear evidence of deformation. Toward the lower load, a decreasing amount of deformation twins can be observed along the cavitation gradient and also from the surface toward the base material. It can also be assumed that severe deformation leads to the formation of deformation martensite. Against the background of a significant increase in magnetizability from the unaffected material toward the damage zone identified through qualitative analysis, magnetic measurements were performed and confirmed a higher magnetizability in the damaged near-surface areas. The steel’s base metal has a uniform, austenitic microstructure.

Ein durch Kavitation stark geschädigtes Stück einer Kortdüse, einem ringförmigen Bauteil, das einen Schiffspropeller umschließt, wurde untersucht. Es handelt sich dabei um rostfreien Stahl der Qualität AISI 316L. An dem untersuchten Stahlstück ist ein Schädigungsgradient zu sehen, der auf regional unterschiedlich starke Kavitation zurückzuführen ist. Bereiche mit starker Kavitationsbelastung zeigen erhöhten Materialabtrag und hohe Oberflächenrauigkeit. Da Materialabtrag durch Kavitation auf mechanische Schädigung der Oberfläche zurückzuführen ist, sollten die Gefügeveränderungen im Stahl untersucht werden. Es wurden Proben entlang des Gradienten entnommen und Querschliffpräparationen angefertigt. Am geätzten, metallographischen Schliff sind die Verformungsspuren deutlich zu erkennen. Eine Abnahme an Verformungszwillingen ist entlang des Kavitationsgradienten, in Richtung geringer Belastung, und auch von der Oberfläche Richtung Grundwerkstoff festzustellen. Es ist auch anzunehmen, dass bei starker Verformung Umformmartensit gebildet wird. Da bereits qualitativ ein deutlicher Anstieg der Magnetisierbarkeit vom unbeeinflussten Werkstoff in Richtung der Schädigungszone festzustellen war, wurden magnetische Messungen durchgeführt, die eine höhere Magnetisierbarkeit der geschädigten oberflächennahen Bereiche bestätigten. Das Grundmetall des Stahls zeigt ein gleichmäßiges, austenitisches Gefüge.