Qu'est-ce que l'érosion par cavitation ?
L'érosion par cavitation est un effet de la détérioration de la surface et de la perte de matériau en surface, principalement dans les machines hydrauliques et les composants associés. Les différences de pression dans les liquides à grande vitesse peuvent provoquer des poches de vapeur ou de gaz qui s'effondrent brusquement à la surface du matériau en raison du changement de pression à proximité de la surface. Ces bulles de gaz qui explosent, également connues sous le nom de microjets, avec une énergie d'impact de plusieurs milliers de bars, peuvent tôt ou tard endommager le matériau.
Si l'excellente résistance à la corrosion des aciers inoxydables a permis une large application commerciale de ces matériaux, leur comportement tribologique médiocre, en particulier leur faible résistance à l'usure par abrasion/adhérence et leur tendance à l'usure par frottement, a empêché leur utilisation dans des applications nécessitant à la fois une résistance à la corrosion et une résistance à l'usure. La cémentation à basse température ou la nitrocarburation offrent une solution pour améliorer les propriétés mécaniques sans altérer la résistance à la corrosion. Ces procédés de diffusion thermochimique forment une phase S méta-stable de carbone ou d'azote tout en évitant la précipitation de carbures et de nitrures qui entraîne une sensibilisation. L'ajout de grandes concentrations d'atomes d'azote et/ou de carbone entraîne la formation de fortes contraintes de compression à la surface. Ces contraintes de compression et l'occupation des sites interstitiels par des atomes d'azote et/ou de carbone entraînent une augmentation de la dureté superficielle du matériau et une amélioration des propriétés mécaniques, par exemple avec le S³P. Kolsterising®.
Quelles sont les causes de l'érosion par cavitation ?
La cavitation est causée par les conditions physiques et structurelles des liquides et déclenchée par exemple par les causes suivantes :
- augmentation de la vitesse locale avec réduction de la pression jusqu'à la formation de bulles
- augmentation de la pression au-dessus du point d'ébullition du liquide avec effondrement soudain des bulles de vapeur
- les réactions chimiques sous l'influence de l'oxygène à haute pression et à haute température
- formation d'éléments par érosion électrolytique dans l'eau acide ou basique
Quels sont les facteurs qui influencent l'érosion par cavitation ?
- paramètres géométriques (constructifs) (par exemple, géométrie des résistances à l'écoulement ou distance entre la résistance à l'écoulement et la surface solide menacée)
- les paramètres opérationnels (par exemple, la pression et la viscosité de fonctionnement ou le type de fluide sous pression)
- les paramètres spécifiques aux matériaux (par exemple, la dureté et la microstructure du matériau revendiqué)
Quel est l'impact de l'érosion par cavitation sur les roues ou les corps de pompe ?
- La rugosité de la paroi augmente, ce qui réduit les performances hydrauliques.
- la réduction de l'épaisseur de la paroi peut aller de pair avec la rugosité et peut réduire la capacité de charge du matériau de la paroi.
- une rugosité de surface plus élevée peut entraîner des émissions sonores importantes.
- des pertes drastiques de pression et de puissance peuvent se produire.
- la perte de revenus, due à l'immobilisation des équipements et aux coûts supplémentaires liés à l'analyse des défaillances, à la réparation et au remplacement.
- provoquer des défaillances entraînant des risques potentiels pour la vie et les blessures des travailleurs et d'autres personnes.
Exemple : Différents types d'érosion par cavitation
- La cavitation en nappe commence au bord de l'hélice et provoque une attaque stationnaire sur une grande surface.
- La cavitation à bulles consiste en un ensemble de bulles individuelles instables et se produit généralement dans la section centrale de la pale en raison d'une courbure excessive de la pale de l'hélice.
La cavitation peut-elle être évitée ? La composition de l'alliage a-t-elle un impact sur la résistance de l'érosion à la cavitation ?
Adaptations opérationnelles :
- augmenter la pression du liquide
- éviter les températures proches du point d'ébullition du fluide
- etc.
Adaptations géométriques :
- la réduction du débit, car elle entraîne une réduction de la vitesse d'écoulement et donc une augmentation locale de la pression
- utiliser des profils de lames minces
- choisir de petits angles d'attaque des pales
- éviter les déviations brusques de l'écoulement
- arrondir le bord d'attaque
- etc.
Adaptations matérielles :
- Utilisation de matériaux alliés qui sont généralement plus résistants à l'abrasion/érosion pour obtenir une dureté de base plus élevée. Cependant, l'alliage d'éléments plus durs (par exemple Si) est souvent associé à une ductilité réduite.
Autre possibilité : Durcissement superficiel avec Kolsterising®
Comment Kolsterising® peut-il aider à prévenir l'érosion par cavitation ?
Dans toutes les formes de cavitation, le degré d'enlèvement de matière dépend toujours de la résistance de la surface du matériau. Plus le matériau est dur, sans être cassant, plus il est résistant, c'est pourquoi le choix des matériaux joue un rôle décisif. Les aciers inoxydables austénitiques ou duplex sont relativement résistants, mais des revêtements, par exemple des armures en stellite, sont souvent appliqués pour obtenir des résistances encore plus élevées. En raison des retouches nécessaires et des processus relativement coûteux, cette méthode est davantage une solution pour les produits de niche.
Low temperature carburizing or nitrocarburizing offers an alternative solution to enhance the cavitation resistance without using expensive coatings while the corrosion resistance is maintained. These thermo-chemical diffusion processes (<500°C) form meta-stable carbon or nitrogen S-phase without forming carbides and nitrides precipitation that causes sensitization. Due to the addition of large concentrations of nitrogen and/or carbon atoms, high compressive stresses are formed at the surface. These compressive stresses along with occupation of the interstitial sites by nitrogen and/or carbon atoms cause an increase in the surface hardness of the material and improved cavitation erosion resistance and other mechanical properties. Particularly due to the high ductility in connection with very high residual compressive stresses, the impact of bladder implosion – typical for cavitation – can be greatly reduced. Thus cavitation erosion is very clearly minimized for many applications and stainless steels materials, or almost completely avoided.
Un autre avantage des zones de diffusion créées est que l'écaillage et la délamination, tels qu'ils sont connus dans les revêtements, ne se produisent pas. Il s'agit d'un avantage décisif par rapport aux revêtements par projection de stellite ou aux revêtements céramiques. Les basses températures du processus signifient également qu'il n'y a pas de changements dimensionnels dans les composants finis et qu'il n'est donc pas nécessaire de les retravailler. Tous les types de revêtements présentent également l'inconvénient qu'aucun traitement n'est possible dans les contours complexes, car ces surfaces ne peuvent pas être revêtues de manière adéquate. Les procédésS³P permettent de traiter les contours intérieurs, les contre-dépouilles et même les trous les plus petits.