Caractérisation de la résistance à l'érosion par cavitation d'aciers et de revêtements HVOF pour la protection de turbines hydrauliques

La cavitation est la cause principale d'érosion des turbines hydrauliques. Les revêtements HVOF ont été étudiés comme solution potentielle à ce problème. La méthode de projection thermique HVOF permet la déposition de revêtements protecteurs, tel que le composite WC-CoCr. Un appareil vibratoire décrit dans la norme ASTM G32 a été utilisé pour tester l'érosion par cavitation. L'échantillon a été maintenu à une distance de 500 μm de la tête de vibration, qui produisait un champ acoustique et provoquait l'apparition de bulles de cavitation. Ces bulles causaient des impacts et de l'érosion lorsqu'elles implosaient près de l'échantillon. Certains calculs théoriques sur le champ de pression et la dynamique des bulles ont été effectués. Le champ de pression approximatif a été dérivé à l'aide de l'équation de Rayleigh, en considérant que l'onde émise est plane. Entre l'échantillon et la tête de vibration s'établit donc une onde quasi-stationnaire d'une amplitude de 5MPa et d'une fréquence de 20kHz. Dans ce champ de pression, les bulles ayant un rayon plus grand que 5,6 μm dans des conditions quasi-statiques et plus petit que 2,6 mm dans des conditions dynamiques vont imploser. Par ailleurs, le comportement en érosion par cavitation d'aciers ferritiques, martensitiques, de revêtements métalliques broyés ou non (444HVOF, Fe3Al) ainsi que des cermets (WCCoCr, Fe3Al...) a été étudié. L'effet d'un recuit pré-déposition a été déterminé sur un revêtement composite basé sur l'aluminure de fer, soit le (Fe3Al)30Ti35BN35. Les mécanismes d'enlèvement de matière des matériaux ont été observés à l'aide de l'imagerie par microscopie électronique à balayage (MEB). Des piqûres et des fissures ont été observées dans le cas des matériaux massifs, alors que des particules du matériau ont été arrachées instantanément dans le cas des revêtements HVOF. La matrice métallique des composites a été arrachée préférentiellement, suivie par des grains de céramiques. Les taux d'érosion des revêtements HVOF étaient un peu plus faibles que ceux des aciers inoxydables martensitiques. D'autres matériaux projetés, comme les plastiques ou des matériaux qui se transforment sous contrainte pourraient être encore plus résistants. Les revêtements métalliques de Fe3Al ont été complètement érodés après 100 min. Un recuit pré-déposition de 2 heures à 1000�C du (Fe3Al)30Ti35BN35 a réduit le taux d'érosion d'un facteur 2, tandis qu'à 1400�C le taux d'érosion a augmenté significativement. Le revêtement possédant le plus faible taux d'érosion est le (Fe3Al)30Ti35BN35 recuit à 1000�C. La dureté des matériaux a été déterminée à l'aide de la micro- ou nano-indentation. Le taux d'érosion des aciers massifs diminue avec la dureté, mais aucune corrélation entre les propriétés des revêtements et leur résistance à l'érosion par cavitation n'a été observée.

Abstract

Cavitation is the leading cause of erosion of hydraulic turbines. HVOF protective coatings were investigated as a means of protecting steels from cavitation erosion. HVOF is a thermal spray technology enabling the spray of dense and hard coatings, such as compositeWC-CoCr. The indirect vibratory apparatus based on the ASTM G32 standard was used to investigate cavitation erosion: the sample was maintained at 500 μm distance from the vibrating horn, which produced acoustic cavitation bubbles that imploded near the specimen causing impacts, pitting and erosion. Wear mechanisms and mechanical properties of coatings were measured to try to predict the cavitation resistance of coatings. To understand cavitation erosion, some theoretical calculations on bubble characteristics in the vibratory apparatus were performed. The pressure field in the vibratory apparatus was approximated using the Rayleigh equation as a plane wave. A quasi-stationary wave was established between the disk and sample with a 5 MPa amplitude and 20 kHz frequency. In this pressure field, bubbles with radius greater than 5.6 μm in quasi-static conditions and bubbles having lower radius than 2.6 mm in dynamic conditions implode. The cavitation erosion behavior of martensitic and ferritic stainless steels, milled or unmilled metallic coatings (444HVOF, Fe3Al) and cermets (WC-CoCr, Fe3Al...) was investigated. The effect of pre-deposition annealing on the cavitation erosion behavior of a cermet coating, (Fe3Al)30Ti35BN35), was also observed. Pitting and cracks were visible on the steel surface using a scanning electron microscope (SEM) whereas, for the coating the ceramic grains were removed almost instantaneously. The composite coating's metal matrix was eroded preferentially followed by ceramic grain removal. The observed maximal erosion rates for composite HVOF coatings are lower than martensitic stainless steels, which demonstrated high cavitation erosion resistance. Fe3Al metallic coatings were completely eroded after 100 min. A 2 hour long 1000�C pre-deposition annealing of (Fe3Al)30Ti35BN35 reduced maximal erosion rate by a factor of two whereas a 1400�C annealed sample exhibits higher erosion rate than unannealed. Hardness of the materials was determined using micro or nano-indentation. The cavitation erosion resistance of bulk steels improves with hardness, but not for coatings. Cavitation erosion behavior of coatings could not be predicted in terms of their mechanical properties. The best performing coating (1000�C pre-deposition annealed (Fe3Al)30Ti35BN35) has relatively high porosity and low hardness. 444 steel was studied as a bulk material and as a HVOF projected material. Bulk 444 exhibited the highest erosion rate, yet 444HVOF had similar cavitation erosion resistance as composite coatings, suggesting the importance of the thermal spraying process on the cavitation resistance of materials.