Essais pratiques d’érosion par cavitation sur des revêtements en bronze pour applications marines

Les essais d’érosion par cavitation sont les plus utiles lorsqu’ils relient une exposition contrôlée en laboratoire à un problème d’ingénierie réel. Un exemple pratique est l’évaluation de revêtements en bronze résistants à la cavitation pour des composants maritimes tels que les safrans et les hélices de navires. Ces pièces fonctionnent dans des zones où des fluctuations locales de pression peuvent générer des bulles de vapeur qui implosent près de la surface, créant des charges d’impact répétées de haute intensité. Avec le temps, cela entraîne des piqûres, des dommages par fatigue, la défaillance du revêtement et une perte de matière.

Essai d’érosion par cavitation de revêtements en bronze

Dans l’étude de Hauer et al., des revêtements en bronze réalisés par projection à froid, projection tiède, projection HVOF et projection à l’arc ont été comparés à du bronze nickel-aluminium coulé et à de l’acier de construction navale. La question centrale était simple : quel procédé de revêtement permet d’obtenir une surface en bronze qui résiste à l’exposition à la cavitation suffisamment longtemps pour un service en milieu marin ? Pour y répondre, les chercheurs ont utilisé un essai d’érosion par cavitation basé sur la norme ASTM G32-16 avec un appareil vibratoire, notamment un système vibratoire à ultrasons Hielscher UIP1000hdT comme système d’essai.

Contrôle précis des conditions d’essai et enregistrement automatisé des données

Le sonicateur UIP1000hdT est bien adapté à ce type d’essai, car il délivre des ultrasons de haute intensité et de basse fréquence dans la plage utilisée pour les essais d’érosion par cavitation. Le montage d’essai d’érosion par cavitation utilisant le sonicateur de 1000 watts fonctionne à 20 kHz et permet une surveillance précise du processus, le contrôle de l’amplitude, la mesure de la température et l’enregistrement automatique des données d’essai. Ces fonctions sont importantes, car l’intensité de la cavitation dépend fortement de l’amplitude, de la température du liquide, de la pression du liquide, de la géométrie de la sonotrode et de la distance entre la sonotrode et l’éprouvette.

(a) Essai d’érosion par cavitation selon ASTM G32-16 avec le sonicateur UIP1000hd (méthode indirecte). Tous les paramètres d’essai sont des valeurs nominales ; les tolérances sont indiquées dans la norme.
(b) Phases schématiques de la courbe érosion-temps et paramètres caractéristiques de la procédure d’essai.
Graphiques et étude : ©Hauer et al., 2021.

Essai d’érosion par cavitation aux ultrasons de revêtements en bronze

Pour l’exemple des revêtements en bronze marins, l’essai a été réalisé selon la configuration indirecte de la norme ASTM G32. Dans cette configuration, l’éprouvette n’est pas fixée au pavillon vibrant. La sonotrode à ultrasons génère au contraire la cavitation dans de l’eau distillée, et l’éprouvette revêtue est fixée sous la sonotrode à un écart défini. Hauer et al. ont utilisé une distance de 0,5 mm entre l’échantillon et la sonotrode, une fréquence de 20 kHz et une amplitude crête à crête de 50 µm. Le liquide d’essai était de l’eau distillée, maintenue approximativement à température ambiante, autour de 25 °C.

La préparation des éprouvettes est une étape critique. Avant l’exposition à la cavitation, les surfaces revêtues ont été poncées et polies par étapes jusqu’à un abrasif diamant fin inférieur à 4 µm. Cela réduit l’influence des particules faiblement adhérentes ou des irrégularités de surface qui pourraient sinon se détacher immédiatement et fausser la courbe d’érosion. L’objectif n’est pas de donner une belle apparence au revêtement, mais de créer un état initial reproductible afin que la perte de masse mesurée reflète la résistance à la cavitation plutôt qu’une mauvaise préparation de surface.

Procédure d’essai d’érosion par cavitation aux ultrasons et ses résultats

La procédure d’essai pratique est simple. Tout d’abord, chaque éprouvette est nettoyée, séchée et pesée sur une balance de précision. Elle est ensuite montée dans la cellule d’essai sous la sonotrode BS4d22 du sonicateur UIP1000hdT, l’écart de 0,5 mm étant réglé avec soin et de manière reproductible. Le sonicateur fonctionne à l’amplitude et à la fréquence définies, tandis que la température du liquide est régulée afin d’éviter que l’échauffement ne modifie l’intensité de la cavitation. Après un intervalle d’exposition défini, l’éprouvette est retirée, nettoyée, séchée et pesée à nouveau. Cette séquence est répétée sur des intervalles d’exposition croissants, dépendant du matériau, jusqu’à l’obtention d’une courbe d’érosion complète.
La mesure brute est la perte de masse. Pour une comparaison technique, cette perte de masse est convertie en perte de volume à l’aide de la masse volumique du matériau. La perte de volume est ensuite divisée par la surface exposée pour déterminer la profondeur moyenne d’érosion. À partir de la courbe de profondeur d’érosion, le chercheur peut calculer des paramètres d’érosion caractéristiques tels que le taux d’érosion maximal, le taux d’érosion terminal et la profondeur moyenne d’érosion. Hielscher indique également que l’érosion peut être exprimée en masse, en volume ou en profondeur de pénétration par unité de temps ou par énergie ultrasonore délivrée, selon le protocole choisi.

Profondeurs moyennes d’érosion en fonction des paramètres de qualité de revêtement ajustés n. Le recuit de la poudre, et donc la réduction de la résistance de la poudre, permet d’atteindre des qualités de revêtement élevées. Les encarts montrent les dommages de surface obtenus après une durée d’essai de cavitation de 100min.
Graphiques et étude : ©Hauer et al., 2021.

Un enseignement important de l’étude de Hauer est que les taux d’érosion initiaux peuvent être trompeurs. Les revêtements projetés thermiquement et cinétiquement présentaient souvent une perte de matière initiale élevée, suivie d’un taux d’érosion plus faible et plus stable. C’est pourquoi Hauer et al. ont utilisé le taux d’érosion terminal comme indicateur plus représentatif des performances à long terme du revêtement. Dans leur comparaison sur 120 minutes, le taux d’érosion terminal a été évalué principalement à partir de la seconde moitié de l’essai, au-delà de 60 minutes, afin de mieux saisir le comportement stabilisé.

Les résultats d’essai montrent pourquoi un appareil de cavitation vibratoire contrôlé est précieux. Le bronze nickel-aluminium coulé a atteint un taux d’érosion terminal d’environ 0,40 µm/h. Le bronze optimisé obtenu par projection tiède a atteint 0,57 µm/h, une valeur proche de la référence coulée. Un revêtement optimisé projeté à l’arc sur acier de construction navale a atteint environ 1,02 µm/h, tandis qu’un revêtement HVOF optimisé a atteint environ 1,74 µm/h. Même lorsque ces revêtements n’égalaient pas entièrement le bronze d’hélice coulé, ils surpassaient très largement l’acier de construction navale ; l’étude indique que les revêtements projetés à l’arc et par HVOF ont atteint une résistance à la cavitation environ 26 fois et 16 fois supérieure, respectivement, à celle de l’acier VL-A.

Utilisez un sonicateur comme appareil vibratoire pour vos essais d’érosion par cavitation

La conclusion pratique est que les essais d’érosion par cavitation menés avec le sonicateur UIP1000hdT comme appareil vibratoire peuvent faire plus que classer des matériaux. Ils révèlent comment le procédé de revêtement, la microstructure, la teneur en oxydes, la porosité, l’adhérence à l’interface et le post-traitement influencent le comportement réel à l’érosion. Hauer et al. ont conclu que la projection HVOF et la projection à l’arc peuvent offrir un bon compromis performance-coût pour améliorer les surfaces des safrans en acier, tandis que la projection à froid et la projection tiède sont à privilégier lorsqu’une résistance à la cavitation proche de celle du bronze nickel-aluminium massif est requise.

Pour les laboratoires et les développeurs de revêtements, la clé de résultats reproductibles réside dans un contrôle strict des paramètres d’essai : amplitude de la sonotrode, fréquence, distance sonotrode-échantillon, température du liquide, chimie du liquide, préparation des éprouvettes, intervalles de pesée et calcul du taux d’érosion. Une fois ces conditions définies, le Hielscher UIP1000hdT offre un moyen pratique et reproductible de traduire la cavitation ultrasonore en données quantitatives sur les performances des revêtements.

Exemple de fiche de travail pour les essais d’érosion par cavitation

 
Vous trouverez ici des instructions pour les essais d’érosion par cavitation !

Montage d’essai d’érosion par cavitation selon ASTM G32

Les sonicateurs UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT et UIP2000hdT conviennent aux essais selon ASTM G32. Nous pouvons fournir chacun de ces appareils avec un protocole de mesure d’amplitude précis de l’amplitude mécanique à l’extrémité de la sonotrode. Nous recommandons d’utiliser l’un de ces appareils avec une sonotrode BS4d22 (22mm de diamètre) et un statif ST2.

Sonotrode ASTM G32 -16 de 15,9mm avec embout remplaçable

Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany

Les sonicateurs Hielscher sont réputés pour leurs normes de qualité et de conception les plus élevées. Leur robustesse et leur facilité d’utilisation permettent une intégration aisée de nos sonicateurs dans les installations industrielles. Les sonicateurs Hielscher font face sans difficulté aux conditions difficiles et aux environnements exigeants.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO qui accorde une importance particulière aux sonicateurs haute performance alliant technologie de pointe et convivialité. Bien entendu, les sonicateurs Hielscher sont conformes CE et satisfont aux exigences UL, CSA et RoHs.

Bibliographie / Références

• Hielscher Cavitation Erosion Test Protocol – ASTM G32
• Hauer, Michél; Gärtner, Frank; Krebs, Sebastian; Klassen, Thomas; Watanabe, Makoto; Kuroda, Seiji; Krömmer, Werner; Henkel, Knuth-Michael (2021): Process Selection for the Fabrication of Cavitation Erosion-Resistant Bronze Coatings by Thermal and Kinetic Spraying in Maritime Applications. Journal of Thermal Spray Technology 30, 2021.
• Bolewski, Łukasz; Szkodo, Marek; Kmieć, Mateusz (2017): Cavitation erosion degradation of Belzona® coatings. Advances in Materials Science. 17, 2017.
• Kmieć, Mateusz; Karpiński, Bartłomiej; Szkodo, Marek (2016): Cavitation Erosion of P110 Steel in Different Drilling Muds. Advances in Materials Science. 16, 2016.
• Müller, Saskia; Fischper, Maurice; Mottyll, Stephan; Skoda, Romuald; Hussong, Jeanette (2014): Analysis of the cavitating flow induced by an ultrasonic horn – Experimental investigation on the influence of actuation phase, amplitude and geometrical boundary conditions. EPJ Web of Conferences 67, 2014.