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

Gabriel Taillon

Master's thesis (2016)

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Abstract

Cavitation is the leading cause of erosion of hydraulic turbines. HVOF protective coatingswere investigated as a means of protecting steels from cavitation erosion. HVOF is a thermalspray 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 investigatecavitation 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 weremeasured to try to predict the cavitation resistance of coatings. To understand cavitationerosion, some theoretical calculations on bubble characteristics in the vibratory apparatuswere performed. The pressure field in the vibratory apparatus was approximated using theRayleigh equation as a plane wave. A quasi-stationary wave was established between the diskand sample with a 5 MPa amplitude and 20 kHz frequency. In this pressure field, bubbleswith radius greater than 5.6 μm in quasi-static conditions and bubbles having lower radiusthan 2.6 mm in dynamic conditions implode. The cavitation erosion behavior of martensiticand ferritic stainless steels, milled or unmilled metallic coatings (444HVOF, Fe3Al) and cermets(WC-CoCr, Fe3Al...) was investigated. The effect of pre-deposition annealing on thecavitation erosion behavior of a cermet coating, (Fe3Al)30Ti35BN35), was also observed. Pittingand 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 compositecoating's metal matrix was eroded preferentially followed by ceramic grain removal.The observed maximal erosion rates for composite HVOF coatings are lower than martensiticstainless steels, which demonstrated high cavitation erosion resistance. Fe3Al metalliccoatings were completely eroded after 100 min. A 2 hour long 1000�C pre-deposition annealingof (Fe3Al)30Ti35BN35 reduced maximal erosion rate by a factor of two whereas a 1400�Cannealed sample exhibits higher erosion rate than unannealed. Hardness of the materialswas determined using micro or nano-indentation. The cavitation erosion resistance of bulksteels improves with hardness, but not for coatings. Cavitation erosion behavior of coatingscould not be predicted in terms of their mechanical properties. The best performingcoating (1000�C pre-deposition annealed (Fe3Al)30Ti35BN35) has relatively high porosity andlow 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 erosionresistance as composite coatings, suggesting the importance of the thermal spraying processon the cavitation resistance of materials.

Résumé

La cavitation est la cause principale d'érosion des turbines hydrauliques. Les revêtementsHVOF ont été étudiés comme solution potentielle à ce problème. La méthode de projectionthermique HVOF permet la déposition de revêtements protecteurs, tel que le compositeWC-CoCr. Un appareil vibratoire décrit dans la norme ASTM G32 a été utilisé pour testerl'érosion par cavitation. L'échantillon a été maintenu à une distance de 500 μm de la têtede vibration, qui produisait un champ acoustique et provoquait l'apparition de bulles decavitation. Ces bulles causaient des impacts et de l'érosion lorsqu'elles implosaient près del'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'établitdonc 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 conditionsquasi-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 revêtementcomposite basé sur l'aluminure de fer, soit le (Fe3Al)30Ti35BN35. Les mécanismesd'enlèvement de matière des matériaux ont été observés à l'aide de l'imagerie par microscopieélectronique à balayage (MEB). Des piqûres et des fissures ont été observées dans lecas des matériaux massifs, alors que des particules du matériau ont été arrachées instantanémentdans le cas des revêtements HVOF. La matrice métallique des composites a étéarrachée préférentiellement, suivie par des grains de céramiques. Les taux d'érosion des revêtementsHVOF étaient un peu plus faibles que ceux des aciers inoxydables martensitiques.D'autres matériaux projetés, comme les plastiques ou des matériaux qui se transforment souscontrainte pourraient être encore plus résistants.Les revêtements métalliques de Fe3Al ont été complètement érodés après 100 min. Un recuitpré-déposition de 2 heures à 1000�C du (Fe3Al)30Ti35BN35 a réduit le taux d'érosion d'unfacteur 2, tandis qu'à 1400�C le taux d'érosion a augmenté significativement. Le revêtementpossédant le plus faible taux d'érosion est le (Fe3Al)30Ti35BN35 recuit à 1000�C. La duretédes matériaux a été déterminée à l'aide de la micro- ou nano-indentation. Le taux d'érosiondes aciers massifs diminue avec la dureté, mais aucune corrélation entre les propriétés desrevêtements et leur résistance à l'érosion par cavitation n'a été observée.
Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Laurent Tôn-Thât, Ludvik Martinu, Robert Schulz, Jolanta-Ewa Sapieha
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/2121/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 13 Jul 2016 10:35
Last Modified: 10 Nov 2022 15:55
Cite in APA 7: Taillon, G. (2016). Caractérisation de la résistance à l'érosion par cavitation d'aciers et de revêtements HVOF pour la protection de turbines hydrauliques [Master's thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/2121/

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