Essais d'érosion par cavitation

L'érosion par cavitation se produit sur les surfaces des matériaux qui sont exposées à une cavitation ultrasonique intense. Le test d'érosion par cavitation est une méthode rapide pour mesurer la résistance à l'érosion des matériaux ou des revêtements à des contraintes intenses et à d'autres facteurs d'érosion. Il s'agit d'une mesure quantitative facile à réaliser pour le contrôle de la qualité et utile pour la recherche sur les matériaux ou la formulation des revêtements.

Pourquoi utiliser le test d'érosion par cavitation ?

Une érosion ou une corrosion continue peut nécessiter un remplacement régulier des pièces ou le renouvellement des revêtements de surface. L'érosion de la surface des matériaux due à des influences mécaniques ou chimiques est un processus lent qui entraîne la destruction progressive des surfaces des matériaux. Par conséquent, l'évaluation de la résistance à l'érosion des matériaux ou de l'effet d'érosion des liquides et des boues peut être un processus très long.
Les essais d'érosion par cavitation ultrasonique exposent la surface du matériau à des cycles de contrainte contrôlés, intenses et répétés. Il en résulte une érosion significative de la surface du matériau en peu de temps. Vous pouvez mesurer rapidement la résistance à l'érosion pour un contrôle régulier de la qualité en production, pour l'évaluation des matériaux entrants ou pendant la recherche et le développement.
Les applications standard 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 l'érosion des surfaces ?

Les appareils à ultrasons, tels que l'UP400St (400 watts, 24kHz) ou l'UIP1000hdT (1000 watts, 20kHz) couplent les vibrations ultrasoniques dans les liquides, tels que l'eau. Le mouvement réciproque rapide des vibrations dans le liquide produit et fait s'effondrer les bulles de cavitation. Lorsque les bulles s'effondrent, une forte contrainte mécanique localisée se produit dans le liquide et sur les surfaces exposées des matériaux. Des jets de liquide pouvant atteindre 1000km/h et des pressions locales pouvant atteindre 1000atm entraînent une fatigue rapide de la surface du matériau. Cela peut éliminer les couches d'oxyde ou de passivation, les revêtements ou l'encrassement. Elle peut provoquer des piqûres dans les matériaux solides, tels que l'acier, le titane, l'aluminium, le plastique ou le verre. Le test d'érosion par cavitation est donc une méthode de test destructive.

Comment fonctionne le test d'érosion par cavitation ?

L'érosion par cavitation de la surface des matériaux entraîne une perte progressive de matière. Vous pouvez mesurer facilement la perte de matériau en pesant le matériau sur une balance de précision avant et après une exposition définie à l'érosion par cavitation. Une variation de poids typique pour un test d'érosion par cavitation se situe entre 1 et 30 mg. Pour une standardisation plus poussée, vous pouvez calculer la perte de volume en divisant la perte de poids par la densité du matériau. La profondeur de pénétration moyenne (PMP) est calculée en divisant la perte de volume par la surface de l'échantillon. Vous pouvez également mesurer la profondeur de piqûre ou le volume déplacé. Vous pouvez utiliser l'analyse microscopique pour obtenir des informations qualitatives supplémentaires sur le modèle d'érosion.
Lorsque vous utilisez un appareil à ultrasons Hielscher pour tester l'érosion par cavitation, vous pouvez prérégler la plage de température et de pression à laquelle vous souhaitez travailler. Vous pouvez régler l'amplitude de la sonication. Tous les paramètres sont contrôlés, affichés et enregistrés sur une carte SD. L'installation d'un logiciel propriétaire n'est pas nécessaire. Si vous le souhaitez, vous pouvez contrôler et surveiller le processus ultrasonique à partir de votre navigateur Internet habituel, si vous connectez l'appareil ultrasonique à votre ordinateur via le câble Ethernet (inclus).

Qu'est-ce que la méthode standard ASTM G32 pour l'érosion par cavitation à l'aide d'un appareil vibrant ?

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

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

De nombreuses publications et protocoles de test d'érosion spécifient un temps d'exposition à la cavitation. Dans les appareils à ultrasons Hielscher, vous pouvez prérégler un temps de sonication et le système s'arrêtera une fois ce temps écoulé. Vous pouvez alors calculer le taux d'érosion par cavitation résultant en mm/h ou en mm3/h. 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 la sonication et l'intensité de la cavitation changeront également. Il est important que la puissance nette réelle délivrée au liquide ne fluctue pas pendant la durée de l'essai.
Les appareils à ultrasons Hielscher permettent de fixer une limite d'énergie. Dans ce cas, l'appareil à ultrasons s'arrête lorsqu'il a délivré l'énergie ultrasonique spécifiée. L'appareil Hielscher affiche et enregistre des paramètres tels que la puissance nette réelle, l'amplitude, la pression et la température du liquide. Les fluctuations de puissance ou les changements délibérés de paramètres seront compensés par l'utilisation d'une limite d'énergie. Vous pouvez ensuite spécifier le taux d'érosion par cavitation résultant en mm/kWhr, mm3/kWhr ou mg/kWhr.
Si vous pesez l'échantillon entre les intervalles d'érosion par cavitation, vous pouvez générer une courbe montrant la perte de poids marginale (taux de perte de poids dans chaque intervalle d'énergie) par rapport à l'énergie cumulée.
Pour des résultats plus précis, l'appareil peut effectuer un étalonnage automatisé (30 secondes). Cet étalonnage mesure la puissance pour tous les réglages d'amplitude dans l'air à la pression ambiante. L'appareil Hielscher utilise ces données d'étalonnage pour donner des valeurs de puissance nette très précises en temps réel.

Pression du liquide pendant la sonication

De nombreux protocoles standard pour les essais d'érosion par cavitation utilisent la cavitation ultrasonique à la pression ambiante. La pression du liquide est le deuxième facteur le plus important pour l'intensité de la sonication. Une augmentation de 10 % de la pression ambiante augmente l'intensité de la sonication d'environ 10 %. Une cavitation plus intense réduit le temps nécessaire pour atteindre un certain degré d'érosion par cavitation. Souvent, le test d'un seul échantillon peut durer de 15 à 120 minutes. Si vous avez de nombreux échantillons à tester, le fait de travailler à des pressions plus élevées peut réduire considérablement la durée de chaque test. Les essais à 5 barg (73psig) nécessitent environ 80 % de temps en moins pour chaque essai.
Hielscher fournit des cellules de test étanches à la pression avec un capteur de pression numérique pour les tests d'érosion par cavitation. En utilisant une cellule étanche à la pression, vous pouvez contrôler et maintenir la pression pendant chaque test. Le générateur d'ultrasons surveille en permanence le capteur de pression et enregistre la pression réelle dans un fichier CSV compatible avec Excel sur une carte SD (incluse). Hielscher fournit des régulateurs de pression pour régler et maintenir la pression de fonctionnement.
En standard, les cellules d'essai étanches à la pression Hielscher pour les 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 des ultrasons

En général, les essais d'érosion par cavitation utilisent des ultrasons de haute intensité à basse fréquence dans la gamme 18-30kHz. Dans cette gamme, la variation de la fréquence a un effet très limité sur l'intensité de la 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 la sonotrode. Vous pouvez fabriquer un échantillon de matériau fileté et le monter à l'extrémité de la sonotrode à ultrasons. Dans ce cas, l'échantillon vibre à l'amplitude ultrasonique spécifiée et produit de la cavitation à sa surface. Cela nécessite un usinage de précision et tous les matériaux ne se prêtent pas à cette option.
Il est également possible de fixer une pièce ou un échantillon à proximité immédiate sous une sonotrode en titane. Dans ce cas, la sonotrode en titane produit la cavitation et la surface du matériau est exposée à la cavitation. Il s'agit de l'option la plus pratique, car vous pouvez placer des échantillons de différentes tailles ou formes dans la cellule d'essai. Si vous utilisez une sonotrode plus grande, telle qu'une sonotrode de 50 mm ou 80 mm de diamètre, vous pouvez exposer plusieurs pièces à l'érosion par cavitation en même temps. Ceci est très utile lorsque vous devez tester de nombreuses pièces par jour, par exemple pour le contrôle de la qualité.
Dans les deux cas, la distance entre la sonotrode à ultrasons et la surface du matériau à côté d'elle 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 15 mm. Pour obtenir des résultats concluants, il convient d'utiliser la même distance pour tous les tests.

température du liquide

Un liquide plus chaud entraîne une intensité de cavitation ultrasonique plus faible. L'apport d'énergie mécanique vibratoire dans le liquide provoque l'échauffement de ce dernier. Afin de maintenir une température constante pendant chaque test d'érosion par cavitation, le liquide doit être refroidi. Hielscher fournit des conteneurs à double enveloppe et des cellules étanches à double enveloppe. Il est également possible d'utiliser un serpentin de refroidissement dans un bécher ou de placer le bécher dans un bain de glace. Un liquide de refroidissement qui circule dans l'enveloppe ou dans le serpentin de refroidissement élimine la chaleur du liquide.
Les appareils à ultrasons Hielscher, tels que l'UP400St ou l'UIP1000hdT, sont équipés d'une sonde de température PT100 (incluse). Le générateur d'ultrasons surveille en permanence la température réelle du liquide et enregistre la température dans un fichier CSV compatible avec Excel sur une carte SD (incluse). Vous pouvez régler le générateur pour qu'il interrompe le test d'érosion par cavitation si la température du liquide s'écarte trop de votre point de consigne, par exemple en raison d'une capacité de refroidissement insuffisante. Le générateur peut reprendre la sonication automatiquement lorsque le liquide atteint à nouveau la température spécifiée.

Liquide en cavitation

En général, les tests d'érosion par cavitation utilisent de l'eau, par exemple de l'eau distillée. Différents liquides présentent des caractéristiques de cavitation différentes. Si l'eau est corrosive pour votre matériau, vous voudrez peut-être tester d'autres liquides, tels que des huiles de silicone à 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 le pH, ou plus abrasif en ajoutant des particules abrasives. Vous pouvez utiliser le test d'érosion par cavitation pour évaluer l'érosion et la corrosivité des liquides, tels que les boues de forage, ou pour évaluer l'efficacité des inhibiteurs de corrosion ou d'érosion.

Usinage

Lors de la fabrication d'une pièce ou d'un échantillon, l'usinage CNC, le meulage ou le polissage endommagent la structure du grain à proximité de la surface du matériau. Cela réduit la résistance à l'érosion.

Couches de passivation/oxydes

Très souvent, l'érosion et la corrosion se produisent en même temps. L'eau, telle que l'eau distillée, déminéralisée ou désionisée, peut être corrosive pour de nombreux matériaux. La cavitation ultrasonique 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 tests d'érosion par cavitation ?

Certains élastomères peuvent nécessiter une exposition très intense à la cavitation pour montrer une quelconque érosion par cavitation. Dans ce cas, la sonication sans cellule pressurisée peut n'avoir aucun effet mesurable.