Réalisation par projection thermique de dépôts pour la protection contre l'érosion par cavitation

par Yan Wang

Thèse de doctorat en Matériaux

Soutenue le 06-04-2018

à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon) (laboratoire) , Université de technologie de Belfort-Montbéliard (Etablissement de préparation) et de Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne [Dijon] / LICB (laboratoire) .

Le président du jury était Michel Jeandin.

Le jury était composé de Marie-Pierre Planche, Geoffrey Darut, Thierry Poirier.

Les rapporteurs étaient Jean-Jacques Gonzalez, Laurent Vonna.


  • Résumé

    Afin de protéger les composants hydrauliques des phénomènes d’érosion par cavitation, les pièces sont très souvent revêtues par projection thermique. Parmi les matériaux qui présentent de bonnes performances contre cette forme d’érosion, certaines recherches, trop rares encore, relèvent les excellentes propriétés de la zircone stabilisée à 8 wt% yttrium (YSZ). C’est pourquoi, dans cette étude, des revêtements YSZ à 8 wt% ont été fabriqués avec différents procédés de projection thermique et post-traités par refusion laser puis ils ont été soumis aux tests de cavitation référencés selon la norme ASTMG32.Le revêtement YSZ a tout d’abord été élaboré par projection plasma atmosphérique (APS). Différentes tailles de poudre YSZ et différentes températures de préchauffage du substrat ont été étudiées pour observer leurs effets sur la tenue en cavitation des échantillons. La simulation de cavitation acoustique de type Caflisch a permis d’estimer la vitesse du jet d'eau et les contraintes exercées par l'effondrement des bulles à la surface des échantillons. Les résultats en cavitation des deux revêtements YSZ et 304SS ont été étudiés et leurs mécanismes discutés.Ensuite et afin densifier ces échantillons, des revêtements composites YSZ-NiCrBSi contenant de 5 à 25 wt% NiCrBSi dans le mélange ont été fabriqués avec le même procédé APS. Les résultats de l'érosion par cavitation montrent qu'une faible adhérence des particules de NiCrBSi vient contrebalancer l'effet positif de la diminution de la porosité dans ces revêtements. Le revêtement YSZ a été finalement post-traité par refusion laser et différents paramètres laser ont été testés pour optimiser leur densification. Il s’avère que la refusion au laser produit une couche refondue dense en surface mais aussi des fissures à l'intérieur des revêtements. Exposés au test d'érosion par cavitation, il a été observé des arrachements importants de la partie refondue du revêtement et un décollement à son interface, d’où une perte de masse rapide. C’est pourquoi, de l'époxy a été utilisée pour infiltrer ces fissures. Le revêtement refondu par laser et infiltré par époxy présente une amélioration significative de la résistance à la cavitation. Enfin, le procédé de projection de plasma sous vide (VPS) qui permet d’obtenir des revêtements très denses a été utilisé pour fabriquer le revêtement YSZ. Un revêtement de porosité inférieure à 1% a été obtenu. En raison de la température élevée du substrat pendant la projection VPS, les liaisons inter lamellaires sont améliorées, contribuant à augmenter significativement la résistance à la cavitation.

  • Titre traduit

    Thermal sprayed coatings for protection against cavitation erosion


  • Résumé

    In order to protect the hydraulic components from cavitation erosion phenomena, the parts are often coated by thermal spraying. Buck YSZ shows an excellent performance against cavitation erosion. However, the cavitation erosion resistance of YSZ coatings have vaguely been studied. Therefore, in this study, YSZ were manufactured with different thermal spraying processes and post-treated by laser remelting, then they were subjected to cavitation tests according to ASTM G32.The YSZ coating was first manufactured by atmospheric plasma spraying (APS). Various sizes of YSZ powder and different preheating temperatures of the substrate were studied to observe their effect on the cavitation behavior of the samples. The acoustic cavitation simulation of the Caflisch type has been used to estimate the speed of the water jet and the stresses exerted by the collapse of the bubbles on the surface of the samples. The cavitation results of the two YSZ and 304SS coatings were aslo studied to discuss cavitation damage of a thermally sprayed coating.Then in order to densify these samples, YSZ-NiCrBSi composite coatings containing from 5 to 25 wt% NiCrBSi in the mixture were manufactured with the APS process. The results of cavitation erosion show that low adhesion of NiCrBSi particles counterbalances the positive effect of decreasing porosity in these coatings. The YSZ coating was then post-treated by laser remelting and various laser parameters were tested to optimize their densification. It turns out that laser remelting produces a dense surface layer but also cracks inside the coatings. Exposed to the cavitation erosion test, it was observed significant removal of the remelted parts of the coating and, resulting in rapid mass loss. This is why epoxy has been used to infiltrate these cracks. The laser remelted and epoxy infiltrated coating exhibits a significant improvement in cavitation resistance. Finally, the vacuum plasma spraying method (VPS), which provides very dense coatings, was used to make the YSZ coating. A porosity coating of less than 1% was obtained. Due to the high temperature of the substrate during VPS projection, the interlamellar bonds are improved, contributing to a significant increase of cavitation resistance.


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