Essais pratiques d'érosion par cavitation sur des revêtements en bronze marin

Les essais d'érosion par cavitation s'avèrent particulièrement utiles lorsqu'ils permettent de faire le lien entre une exposition contrôlée en laboratoire et un problème technique concret. Un exemple concret est l'évaluation de revêtements en bronze résistants à la cavitation destinés à des composants maritimes tels que les gouvernails et les hélices de navires. Ces pièces fonctionnent dans des zones où des fluctuations locales de pression peuvent générer des bulles de vapeur qui s'effondrent près de la surface, créant ainsi des charges d'impact répétées de forte intensité. Au fil du temps, cela entraîne l'apparition de piqûres, des dommages par fatigue, la défaillance du revêtement et une perte de matière.

Essai d'érosion par cavitation des revêtements en bronze

Dans l’étude menée par Hauer et al., des revêtements en bronze obtenus par projection à froid, projection à chaud, projection HVOF et projection à l’arc ont été comparés à du bronze au nickel-aluminium moulé et à de l’acier de construction navale. La question centrale était simple : quel procédé de revêtement permet d’obtenir une surface en bronze capable de résister à l’exposition à la cavitation suffisamment longtemps pour une utilisation en milieu marin ? Pour y répondre, les chercheurs ont utilisé un essai d'érosion par cavitation conforme à la norme ASTM G32-16, avec un dispositif vibratoire comprenant 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 parfaitement adapté à ce type d'essai, car il émet des ultrasons de haute intensité et de basse fréquence dans la gamme utilisée pour les essais d'érosion par cavitation. Le dispositif d’essai d’érosion par cavitation utilisant le sonicateur de 1 000 watts fonctionne à 20 kHz et permet une surveillance précise du processus, un contrôle de l’amplitude, une 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’échantillon.

(a) Essai d'érosion par cavitation selon la norme 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 ultrasonique des revêtements en bronze

Dans le cas du revêtement en bronze marin, l'essai a été réalisé selon la configuration indirecte de la norme ASTM G32. Dans cette configuration, l'échantillon n'est pas fixé au cornet vibrant. À la place, la sonotrode ultrasonique génère une cavitation dans de l'eau distillée, et l'échantillon revêtu est fixé sous la sonotrode à une distance définie. 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 à une température proche de la température ambiante, soit environ 25 °C.

La préparation des échantillons constitue une étape cruciale. Avant l’exposition à la cavitation, les surfaces revêtues ont été meulées et polies par étapes à l’aide d’un abrasif diamanté fin, jusqu’à obtenir une rugosité inférieure à 4 µm. Cela permet de réduire l’influence des particules faiblement fixées ou des irrégularités de surface qui, sans cela, pourraient se détacher immédiatement et fausser la courbe d’érosion. L’objectif n’est pas d’embellir le revêtement, mais de créer une condition de départ reproductible afin que la perte de masse mesurée reflète la résistance à la cavitation plutôt qu’une mauvaise préparation de la surface.

Procédure d'essai d'érosion par cavitation ultrasonique et ses résultats

La procédure d’essai pratique est simple. Tout d’abord, chaque échantillon est nettoyé, séché et pesé sur une balance de précision. Il est ensuite placé 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 contrôlée afin d’éviter que l’échauffement ne modifie l’intensité de la cavitation. Après un intervalle d’exposition défini, l’échantillon est retiré, nettoyé, séché et pesé à nouveau. Cette séquence est répétée avec des intervalles d’exposition croissants, en fonction du matériau, jusqu’à l’obtention d’une courbe d’érosion complète.
La mesure brute correspond à la perte de masse. À des fins de comparaison technique, cette perte de masse est convertie en perte de volume à l’aide de la densité du matériau. La perte de volume est ensuite divisée par la surface exposée afin de 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 note également que l’érosion peut être exprimée en masse, en volume ou en profondeur de pénétration par unité de temps ou par énergie ultrasonique délivrée, selon le protocole choisi.

Profondeurs moyennes d'érosion en fonction des paramètres ajustés de qualité du revêtement n. Le recuit de la poudre, qui réduit ainsi sa résistance, permet d'obtenir des revêtements de haute qualité. Les illustrations montrent les dommages superficiels observés après une durée d'essai de cavitation de 100 min.
Graphiques et étude : © Hauer et al., 2021.

L'une des leçons importantes tirées de l'étude de Hauer est que les taux d'érosion initiaux peuvent être trompeurs. Les revêtements appliqués par projection thermique et cinétique présentaient souvent une perte initiale importante de matière, 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, soit au-delà de 60 minutes, afin de mieux rendre compte du comportement stabilisé.

Les résultats des essais montrent pourquoi un appareil de cavitation vibratoire contrôlée est utile. Le bronze au nickel-aluminium moulé a atteint un taux d’érosion final d’environ 0,40 µm/h. Le bronze optimisé par projection à chaud a atteint 0,57 µm/h, un résultat proche de celui de la référence moulée. Un revêtement optimisé appliqué par projection à l'arc sur de l'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 si ces revêtements n’ont pas tout à fait égalé le bronze moulé des hélices, ils ont nettement surpassé l’acier de construction navale ; l’étude indique que les revêtements appliqués par projection à l’arc et par HVOF ont présenté une résistance à la cavitation respectivement environ 26 fois et 16 fois supérieure à celle de l’acier VL-A.

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

En pratique, cela signifie que les essais d’érosion par cavitation réalisés avec le sonicateur UIP1000hdT comme appareil vibratoire ne se limitent pas à un simple classement des matériaux. Ils permettent de mettre en évidence l’influence du procédé de revêtement, de la microstructure, de la teneur en oxyde, de la porosité, de l’adhérence interfaciale et du post-traitement sur le comportement réel à l’érosion. Hauer et al. ont conclu que la projection HVOF et la projection à l'arc offrent un bon compromis performance-coût pour l'amélioration des surfaces des gouvernails en acier, tandis que la projection à froid et la projection à chaud sont préférables lorsqu'une résistance à la cavitation proche de celle du bronze au nickel-aluminium massif est requise.

Pour les laboratoires et les développeurs de revêtements, la clé pour obtenir des résultats reproductibles réside dans le contrôle rigoureux des paramètres d’essai : amplitude de la sonotrode, fréquence, distance entre la sonotrode et l’échantillon, température du liquide, composition chimique du liquide, préparation des échantillons, intervalles de pesée et calcul du taux d’érosion. Une fois ces conditions définies, l'UIP1000hdT de Hielscher offre un moyen pratique et reproductible de traduire la cavitation ultrasonique en données quantitatives sur les performances du revêtement.

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

 
Vous trouverez ici les instructions relatives aux essais d'érosion par cavitation !

Dispositif d'essai d'érosion par cavitation selon la norme ASTM G32

Les soniqueurs UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP15000hdT et UIP2000hdT sont adaptés aux essais selon la norme ASTM G32. Nous pouvons fournir chacun de ces appareils avec un système de mesure précis protocole de mesure de l'amplitude de l'amplitude mécanique à l'extrémité de la sonotrode. Nous recommandons d'utiliser l'un ou l'autre de ces appareils avec une sonotrode BS4d22 (diamètre de 22 mm) et un support ST2.

Sonotrode ASTM G32 -16 15.9mm avec pointe remplaçable

Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany

Les ultrasons Hielscher sont réputés pour leur qualité et leurs normes de conception les plus élevées. La robustesse et la facilité d'utilisation permettent une intégration aisée de nos ultrasons dans les installations industrielles. Les conditions difficiles et les environnements exigeants sont facilement gérés par les ultrasons Hielscher.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO et met l'accent sur les ultrasons de haute performance, dotés d'une technologie de pointe et d'une grande facilité d'utilisation. Bien entendu, les ultrasons Hielscher sont conformes à la norme CE et répondent aux exigences des normes UL, CSA et RoHs.

Littérature / Références