Caractérisation des mécanismes d'usure en cavitation de revêtements HVOF à base de cavitec

La cavitation se produit principalement dans les écoulements turbulents où des zones de dépression-surpressions provoquent l'effondrement de microbulles gazeuses. L'implosion de ces germes de cavitation produit des ondes de choc et des microjets d'eau pouvant causer des impacts de l'ordre du giga pascal sur les surfaces en immersion. Les turbines hydrauliques sont particulièrement sujettes à ce type d'érosion pouvant causer plusieurs kilogrammes de dégradation sur les pales d'un seul appareil par année. Il devient ainsi important de mettre au point des revêtements protecteurs pour réparer les turbines et autres composantes hydrauliques. Le test d'érosion par cavitation ultrasonique a été utilisé pour simuler un environnement agressif de cavitation. En accord avec la norme ASTM, une distance de 500 μm a été utilisée entre la tige, oscillant à une fréquence de 20kHz et une amplitude de 50 μm, et les échantillons. De l'eau déminéralisée maintenue à une température de 23°C fut utilisé comme milieu d'immersion afin de négliger les effets de corrosion. Chaque échantillon fut érodé qu'une seule fois pendant une période déterminée afin d'assurer une plus grande reproductibilité des tests. L'alliage CaviTec, connu pour sa très grande résistance à la cavitation sous forme massique, fut donc utilisé pour produire un revêtement de projection thermique HVOF. Cette technique comportant plusieurs avantages pour la production de couches protectrice, les paramètres de dépôts furent optimisés pour augmenter la résistance à la cavitation des revêtements CaviTec HVOF. Le taux d'érosion fut réduit d'un facteur 3 pour atteindre 1,6 mg/h ce qui se compare très bien avec celui des revêtements Stellite-6 (1,0 mg/h) et WC-CoCr (2,5 mg/h) aussi testés dans cette étude. Cependant, la période d'incubation du revêtement CaviTec (~20 min) est loin d'atteindre celle du même alliage sous forme massique (>8h). Une analyse du mécanisme de dégradation a révélé que les défauts dus à la microstructure lamellaire du revêtement HVOF accélèrent sa dégradation. En effet, les particules résistantes de CaviTec sont arrachées de la microstructure due à la propagation de fissures à la frontière des splats orientés parallèlement au substrat. Ainsi, une optimisation du procédé de dépôt, incluant un possible recuit, est toujours envisageable afin d'améliorer les propriétés mécaniques de ce revêtement.

Abstract

Hydraulic turbines used in a constant flow of water can suffer from severe damage. Turbine blade degradation originates mostly from erosion wear, corrosion and cavitation. It has been shown that in fresh water, cavitation erosion is the main wear mechanism. During cavitation erosion, implosion of unstable air bubbles create shock waves and micro-jets of water causing impact forces on immersed surfaces varying from MPa to GPa. The implosion of thousands of bubbles at high frequency induce a low cycle fatigue wear mechanism. The ultrasonic cavitation erosion test is used to investigate the cavitation resistance of material. In this study, the ASTM standard has been respected using a vibrating horn of 20 kHz frequency and 50 μm amplitude. Place in demineralised water (cooled a 23°C), the tip to sample distance was 500 μm. Cavitation erosion curves were built measuring the mass loss of samples after different erosion times to compare the resistance of tested materials. Each sample was eroded once without replacing it in the erosion system. The CaviTec alloy was used to produce a new HVOF coating because this material is known to resist very well, in bulk form, to cavitation erosion. On the other end, the thermal spray deposition offer the advantages of a fast and automated additive techniques. Optimizing deposition parameters, the erosion rate of CaviTec HVOF coatings has been reduced by a factor of 3 reaching 1,6 mg/h which is comparable to Stellite-6 and WC-CoCr coatings (respectively 1,0 and 2,5 mg/h) also tested in this study. However, the incubation period of this new HVOF coating (~20min) is far from reaching the level of the bulk CaviTec (>8h). A systematic study of HVOF coatings degradation mechanism revealed than the lamellar microstructure accelerates the material loss. In fact, the preferential erosion of coating defects (oxide, pores and splat boundary regions) leads to the extraction of cavitation resistant CaviTec splats. A further optimization of the deposition process including a heat treatment of samples surface could be a good solution to recover the incubation period but more study is needed to confirm this hypothesis.