Essais d’érosion par cavitation

L’érosion par cavitation se produit sur les surfaces de matériaux exposées à une cavitation ultrasonore intense. Les essais d’érosion par cavitation constituent une méthode rapide pour mesurer la résistance des matériaux ou des revêtements à l’érosion sous l’effet de contraintes intenses et d’autres facteurs d’érosion. Ils permettent une mesure quantitative simple pour le contrôle qualité et sont utiles lors de la recherche sur les matériaux ou de la formulation de revêtements.

Pourquoi utiliser les essais d’érosion par cavitation ?

Une érosion ou une corrosion persistante peut nécessiter le remplacement régulier de pièces ou le renouvellement des revêtements de surface. L’érosion des surfaces de matériaux sous l’effet d’influences mécaniques ou chimiques est un processus lent qui entraîne leur destruction progressive. Par conséquent, l’évaluation de la résistance des matériaux à l’érosion ou de l’effet érosif des liquides et des suspensions peut prendre beaucoup de temps.
Les essais d’érosion par cavitation ultrasonore exposent la surface du matériau à des cycles de contraintes contrôlés, intenses et répétés. Cela provoque une érosion importante de la surface du matériau en peu de temps. Vous pouvez mesurer rapidement la résistance à l’érosion pour le contrôle qualité régulier en production, pour l’évaluation des matériaux à réception ou dans le cadre de la recherche et du développement.
Les applications courantes comprennent les essais métallurgiques, les essais de formulation de revêtements, les essais d’application de revêtements ou l’évaluation des inhibiteurs d’érosion dans les liquides.

Pourquoi la cavitation provoque-t-elle une érosion de surface ?

Les appareils à ultrasons, tels que le UP400St (400 watts, 24kHz) ou le UIP1000hdT (1000 watts, 20kHz), transmettent des vibrations ultrasonores aux liquides, tels que l’eau. Le mouvement alternatif rapide de la vibration dans le liquide produit des bulles de cavitation et provoque leur implosion. Lorsque les bulles implosent, des contraintes mécaniques localisées élevées apparaissent dans le liquide et sur les surfaces de matériaux exposées. Des jets de liquide atteignant 1000km/h et des pressions locales atteignant 1000atm entraînent une fatigue rapide de la surface du matériau. Cela peut éliminer les couches d’oxyde ou de passivation, les revêtements ou les dépôts d’encrassement. Cela peut provoquer la formation de piqûres dans des matériaux solides, tels que l’acier, le titane, l’aluminium, le plastique ou le verre. Les essais d’érosion par cavitation constituent donc une méthode d’essai destructive.

Comment fonctionnent les essais d’érosion par cavitation ?

L’érosion par cavitation des surfaces de matériaux entraîne une perte progressive de matière. Vous pouvez mesurer facilement cette perte en pesant le matériau sur une balance de précision avant et après une exposition définie à l’érosion par cavitation. La variation de masse typique lors d’un essai d’érosion par cavitation est comprise entre 1 et 30mg. Pour une standardisation plus poussée, vous pouvez calculer la perte de volume en divisant la perte de masse par la masse volumique du matériau. La profondeur moyenne de pénétration (MDP) est calculée en divisant la perte de volume par l’aire de la surface de l’éprouvette. Vous pouvez également mesurer la profondeur des piqûres ou le volume déplacé. Une analyse microscopique peut fournir des informations qualitatives supplémentaires sur la morphologie de l’érosion.
Lorsque vous utilisez un appareil à ultrasons Hielscher pour les essais d’érosion par cavitation, vous pouvez prédéfinir les plages de température et de pression auxquelles vous souhaitez travailler. Vous pouvez régler l’amplitude de sonication. Tous les paramètres sont surveillés, affichés et enregistrés sur une carte SD. Vous n’avez pas besoin d’installer de logiciel propriétaire. Si vous le souhaitez, vous pouvez piloter et surveiller le procédé ultrasonore depuis votre navigateur web habituel en connectant l’appareil à ultrasons à votre ordinateur à l’aide du câble Ethernet (fourni).

Quelle est la méthode normalisée ASTM G32 pour l’érosion par cavitation à l’aide d’un appareil vibratoire ?

La norme ASTM G32-16 décrit une méthode normalisée d’érosion par cavitation. Elle définit un essai simple, contrôlable et reproductible permettant de quantifier et de comparer la résistance de différents matériaux à l’érosion par cavitation. Les spécifications ATSM G32-16 sont utiles pour comparer vos résultats à ceux d’autres publications. Si vous souhaitez intégrer les essais d’érosion par cavitation au contrôle qualité, nous vous recommandons d’adapter le protocole d’essai d’érosion par cavitation à vos exigences spécifiques. Nous serons heureux de vous aider à concevoir un protocole d’essai d’érosion par cavitation personnalisé. Pour en savoir plus sur les essais d’érosion par cavitation conformément à ASTM-G32, cliquez ici !

Pourquoi utiliser une limite d’énergie plutôt qu’une limite de temps ?

De nombreuses publications et de nombreux protocoles d’essai d’érosion spécifient une durée d’exposition à la cavitation. Sur les appareils à ultrasons Hielscher, vous pouvez prédéfinir une durée de sonication et le système s’arrête une fois cette durée écoulée. Vous pouvez ensuite calculer la vitesse d’érosion par cavitation résultante en mm/hr ou mm3/hr. Une limite de temps n’est acceptable que si vous ne modifiez aucun paramètre, tel que le niveau de liquide, l’amplitude, la pression, la température, la composition du liquide ou l’écart entre la sonotrode et la surface du matériau. Si l’un de ces paramètres change, la puissance de sonication et l’intensité de la cavitation changent également. Il est essentiel que la puissance nette réelle transmise au liquide ne fluctue pas pendant la durée de l’essai.
Sur les appareils à ultrasons Hielscher, vous pouvez définir une limite d’énergie. Dans ce cas, l’appareil à ultrasons s’arrête après avoir délivré l’énergie ultrasonore spécifiée. L’appareil Hielscher affiche et enregistre des paramètres tels que la puissance nette réelle, l’amplitude, la pression et la température du liquide. L’utilisation d’une limite d’énergie permet de compenser les fluctuations de puissance ou les modifications délibérées des paramètres. Vous pouvez ensuite exprimer le taux d’érosion par cavitation résultant en mm/kWhr, mm3/kWhr ou mg/kWhr.
Si vous pesez l’éprouvette entre les intervalles d’érosion par cavitation, vous pouvez générer une courbe représentant la perte de masse marginale (taux de perte de masse dans chaque intervalle d’énergie) en fonction de l’énergie cumulée.
Pour obtenir des résultats plus précis, l’appareil peut effectuer un étalonnage automatique (30 secondes). Celui-ci mesure la puissance pour tous les réglages d’amplitude dans l’air à pression ambiante. L’appareil Hielscher utilise ces données d’étalonnage pour fournir des valeurs de puissance nette très précises en temps réel.

Pression du liquide pendant la sonication

De nombreux protocoles normalisés d’essai d’érosion par cavitation utilisent la cavitation ultrasonore à pression ambiante. La pression du liquide est le deuxième facteur le plus important pour l’intensité de sonication. Une augmentation de 10% de la pression ambiante augmente l’intensité de sonication d’environ 10%. Une cavitation plus intense réduit le temps nécessaire pour atteindre un certain degré d’érosion par cavitation. L’essai d’une seule éprouvette peut souvent prendre entre 15 et 120 minutes. Si vous avez de nombreuses éprouvettes à tester, travailler à des pressions plus élevées peut réduire considérablement la durée de chaque essai. Les essais à 5 barg (73psig) nécessitent environ 80% de temps en moins par essai.
Hielscher fournit des cellules d’essai étanches à la pression équipées d’un capteur de pression numérique pour les essais d’érosion par cavitation. Une cellule étanche à la pression permet de contrôler et de maintenir la pression pendant chaque essai. Le générateur d’ultrasons surveille constamment le capteur de pression et enregistre la pression réelle dans un fichier CSV compatible avec Excel sur une carte SD (fournie). Hielscher fournit des régulateurs de pression pour régler et maintenir la pression de fonctionnement.
En version standard, les cellules d’essai Hielscher étanches à la pression destinées aux essais d’érosion par cavitation sont conçues pour des pressions allant jusqu’à 5barg (73psig). Des pressions plus élevées, allant jusqu’à 300barg (4350psig), sont disponibles sur demande.

Fréquence ultrasonore

En général, les essais d’érosion par cavitation utilisent des ultrasons de basse fréquence et de haute intensité dans la plage de 18–30kHz. Dans cette plage, la variation de fréquence a un effet très limité sur l’intensité de cavitation. Tous les appareils Hielscher fonctionnent à une fréquence constante.

Distance par rapport à la sonotrode

Le matériau à tester peut être monté sur la sonotrode ou sous celle-ci. Vous pouvez fabriquer une éprouvette filetée du matériau et la monter à l’extrémité de la sonotrode ultrasonore. Dans ce cas, l’éprouvette vibre à l’amplitude ultrasonore spécifiée et produit de la cavitation à sa surface. Cela nécessite un usinage de précision et tous les matériaux ne conviennent pas à cette option.
Vous pouvez également fixer une pièce ou une éprouvette à faible distance sous une sonotrode en titane. Dans ce cas, la sonotrode en titane produit la cavitation et la surface du matériau y est exposée. Cette option est plus pratique, car elle permet de placer des éprouvettes de tailles ou de formes variées dans la cellule d’essai. Si vous utilisez une sonotrode plus grande, par exemple une sonotrode de 50mm ou de 80mm de diamètre, vous pouvez exposer plusieurs pièces simultanément à l’érosion par cavitation. Cela est très utile lorsque vous devez tester de nombreuses pièces par jour, par exemple pour le contrôle qualité.
Dans les deux cas, la distance entre la sonotrode ultrasonore et la surface du matériau située à proximité est très importante. En général, l’érosion par cavitation est plus rapide lorsque la distance est plus faible. Les distances typiques vont de 0,2 à 15mm. Pour obtenir des résultats concluants, vous devez utiliser la même distance pour tous les essais.

Température du liquide

Un liquide plus chaud entraîne une intensité de cavitation ultrasonore plus faible. L’apport d’énergie de vibration mécanique dans le liquide provoque son échauffement. Pour maintenir une température constante pendant chaque essai d’érosion par cavitation, le liquide doit être refroidi. Hielscher fournit des récipients à double enveloppe et des cellules étanches à la pression à double enveloppe. Vous pouvez également utiliser un serpentin de refroidissement dans un bécher ou placer le bécher dans un bain de glace. Un fluide de refroidissement circulant dans la double enveloppe ou dans le serpentin de refroidissement évacue la chaleur du liquide.
Les appareils à ultrasons Hielscher, tels que le UP400St ou le UIP1000hdT, sont équipés d’une sonde de température PT100 (fournie). Le générateur d’ultrasons surveille en continu la température réelle du liquide et l’enregistre dans un fichier CSV compatible avec Excel sur une carte SD (fournie). Vous pouvez régler le générateur pour qu’il suspende l’essai d’érosion par cavitation si la température du liquide s’écarte trop de votre valeur de consigne, par exemple en raison d’une capacité de refroidissement insuffisante. Le générateur peut reprendre automatiquement la sonication lorsque le liquide atteint à nouveau la température spécifiée.

Liquide soumis à la cavitation

En général, les essais d’érosion par cavitation utilisent de l’eau, par exemple de l’eau distillée. Les différents liquides présentent des caractéristiques de cavitation différentes. Si l’eau est corrosive pour votre matériau, vous pouvez tester d’autres liquides, tels que des huiles de silicone de faible viscosité ou des solvants organiques, afin d’éliminer ou de réduire le facteur corrosif. Vous pouvez également rendre le liquide plus corrosif, par exemple en modifiant son pH, ou plus abrasif en ajoutant des particules abrasives. Les essais d’érosion par cavitation permettent d’évaluer le pouvoir érosif et corrosif des liquides, tels que les boues de forage, ou l’efficacité des inhibiteurs de corrosion ou d’érosion.

Usinage

Lors de la fabrication d’une pièce ou d’une éprouvette, l’usinage CNC, la rectification ou le polissage endommagent la structure des grains à proximité de la surface du matériau. Cela réduit la résistance à l’érosion.

Couches de passivation/d’oxyde

Très souvent, l’érosion et la corrosion se produisent simultanément. L’eau, notamment l’eau distillée, déminéralisée ou désionisée, peut être corrosive pour de nombreux matériaux. La cavitation ultrasonore favorise la corrosion. Les couches de passivation, par exemple sur l’aluminium anodisé, augmentent la résistance de la surface d’un matériau à l’érosion et à la corrosion.

Quelles sont les limites des essais d’érosion par cavitation ?

Certains élastomères peuvent nécessiter une exposition à une cavitation très intense pour présenter la moindre érosion par cavitation. Dans ce cas, une sonication sans cellule sous pression peut ne produire aucun effet mesurable.