Mesure du coefficient de friction statique à haute température et mécanismes d'adhésion

Un effort international est actuellement mené afin d'augmenter le rendement thermodynamique des centrales thermiques jusqu'à 50%. Pour atteindre cet objectif, il est nécessaire d'augmenter la température des vapeurs entrainant les turbines. De nouveaux matériaux sont donc développés afin de pouvoir supporter les efforts mécaniques à des températures jusqu'à 760 C. Il existe donc une nécessité de développer de nouveaux équipements et méthodologies permettant de caractériser les matériaux à haute température. Les valves MSBV (Metal-Seated Ball Valves) sont des dispositifs permettant de couper ou d'ouvrir un flux et sont couramment utilisés dans les centrales thermiques. De par leur utilisation, elles peuvent être exposées à de longues périodes d'immobilité. C'est dans le but d'étudier ce type particulier de contact statique que le tribomètre haute température (HTT800) a été développé. Cet équipement unique permet de mesurer le coefficient de frottement statique entre un pion et un plan jusqu'à une température de 800 C. Pour cela, une méthodologie de mesure non conventionnelle a été développée. Cette dernière a été appliquée sur un contact pion-plan composé de stellite 6 massif et d'un revêtement de chrome dur. Ces matériaux sont classiquement utilisés dans l'industrie des valves. L'évolution du coefficient de friction statique a été mesurée en fonction de trois paramètres : la pression de contact (170 et 1000 MPa), la température (20, 500 et 800 C), et le temps de maintien (de 30 secondes à 16 heures). Les contacts ont ensuite été analysés en termes de microstructure, de composition chimique, et de topographie. L'utilisation de cette méthodologie montre, qu'à température ambiante, le coefficient de frottement statique n'est pas affecté ni par la pression de contact ni par le temps de maintien. À haute température, le coefficient de frottement statique dépend à la fois de la pression de contact et du temps de maintien. À 500 C, deux comportements sont observés en fonction de la pression de contact. À faible pression de contact, le coefficient de frottement statique diminue avec le temps de maintien alors qu'il augmente dans le cas d'une forte pression de contact. À cette température, le coefficient de frottement statique le plus élevé est obtenu pour la plus haute pression de contact. À 800 C, le comportement est caractérisé par une augmentation du coefficient de frottement statique en fonction du temps de maintien jusqu'à des valeurs supérieures à 1. De plus, un endommagement adhésif beaucoup plus prononcé qu'aux autres températures est observé.

Abstract

An international effort is being made currently in order to increase the thermodynamic efficiency of thermal power plants up to 50%. To achieve this goal, it is necessary to increase the temperature of the vapors driving the turbines. New materials are therefore developed to withstand mechanical stresses at temperatures up to 760 C. This rise in temperature leads to a need to develop new equipments and methodologies to characterize materials under such severe conditions. MSBV valves (Metal-Seated Ball Valves) are devices that are able to close or open a flow and are commonly used in thermal power plants. By their use, they can be exposed to long periods of immobility. A new tribometer has been developed in order to be able to study this particular static contact. This unique equipment is able to measure the coefficient of static friction between a pin and a plane up to a temperature of 800 C. A methodology has been developed to simulate the contact in a valve consisting of cast stellite 6 and a hard chrome plating. These materials are typically used in the valve industry. The evolution of the static coefficient of friction was measured according to three parameters: the contact pressure (170 and 1000 MPa), the temperature (20, 500 and 800 C), and the holding time (from 30 seconds to 16 hours). The contacts were then analyzed in terms of microstructure, chemical composition, and topography. The use of the methodology showed that, at ambient temperature, the coefficient of static friction is not affected either by the contact pressure or by the duty time. At high temperatures, the coefficient of static friction depends on both the contact pressure and the holding time. At 500 C, two behaviors are observed depending of the contact pressure. The coefficient of static friction decreases with the holding time at low contact pressure, while it increases at higher contact pressure. At this temperature, the highest coefficient of static friction is obtained for the highest contact pressure. At 800 C, the behavior is characterized by an increase in the static friction as a function of the holding time to values greater than 1. In addition, a much more pronounced adhesive damage is observed compared to the other temperatures. Also, the highest static friction is obtained for the lowest contact pressure, unlike at 20 and 500 C. All those observations were attributed to the evolution of the contact as a function of the testing conditions. In particular, the formation of a mixed oxide inside the contact seems to have a major influence on the tribological response of the system.