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Archives mensuelles : décembre 2020

Mesure de l'usure in situ à haute température

MESURE DE L'USURE IN SITU À HAUTE TEMPÉRATURE

EN UTILISANT UN TRIBOMÈTRE

MESURE DE L'USURE IN-SITU Tribomètre aérospatial

Préparé par

Duanjie Li, PhD

INTRODUCTION

Le transformateur différentiel variable linéaire (LVDT) est un type de transformateur électrique robuste utilisé pour mesurer un déplacement linéaire. Il a été largement utilisé dans une variété d'applications industrielles, y compris les turbines de puissance, l'hydraulique, l'automatisation, les avions, les satellites, les réacteurs nucléaires, et bien d'autres.

Dans cette étude, nous présentons les modules complémentaires LVDT et haute température du NANOVEA. Tribomètre qui permettent de mesurer le changement de profondeur de la trace d'usure de l'échantillon testé pendant le processus d'usure à des températures élevées. Cela permet aux utilisateurs de corréler les différentes étapes du processus d'usure avec l'évolution du COF, ce qui est essentiel pour améliorer la compréhension fondamentale du mécanisme d'usure et des caractéristiques tribologiques des matériaux destinés aux applications à haute température.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, nous souhaitons mettre en évidence la capacité du tribomètre NANOVEA T50 à surveiller in situ l'évolution du processus d'usure des matériaux à des températures élevées.

Le processus d'usure de la céramique de silicate d'alumine à différentes températures est simulé de manière contrôlée et surveillée.

NANOVEA

T50

PROCÉDURE DE TEST

Le comportement tribologique, par exemple le coefficient de friction (COF) et la résistance à l'usure des plaques en céramique de silicate d'alumine, a été évalué par le tribomètre NANOVEA. La plaque en céramique de silicate d'alumine a été chauffée par un four de la température ambiante, RT, à des températures élevées (400°C et 800°C), suivies par des tests d'usure à ces températures. 

À titre de comparaison, les essais d'usure ont été réalisés lorsque l'échantillon a refroidi de 800°C à 400°C, puis à la température ambiante. Une bille en AI2O3 (6 mm de diamètre, grade 100) a été appliquée contre les échantillons testés. Le COF, la profondeur d'usure et la température ont été contrôlés in situ.

PARAMÈTRES D'ESSAI

de la mesure de l'épingle sur le disque

Tribomètre LVDT Échantillon

Le taux d'usure, K, a été évalué à l'aide de la formule K=V/(Fxs)=A/(Fxn), où V est le volume usé, F est la charge normale, s est la distance de glissement, A est la surface de section transversale de la piste d'usure et n est le nombre de tours. La rugosité de surface et les profils des traces d'usure ont été évalués par le profileur optique NANOVEA, et la morphologie des traces d'usure a été examinée à l'aide d'un microscope optique.

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Le COF et la profondeur de la trace d'usure enregistrés in situ sont représentés respectivement sur la FIGURE 1 et la FIGURE 2. Sur la FIGURE 1, "-I" indique le test effectué lorsque la température a été augmentée de la température ambiante à une température élevée. "-D" représente la température diminuée à partir d'une température plus élevée de 800°C.

Comme le montre la FIGURE 1, les échantillons testés à différentes températures présentent un COF comparable de ~0,6 tout au long des mesures. Un COF aussi élevé conduit à un processus d'usure accéléré qui crée une quantité importante de débris. La profondeur de la trace d'usure a été contrôlée pendant les essais d'usure par LVDT, comme le montre la FIGURE 2. Les essais réalisés à température ambiante avant le chauffage de l'échantillon et après le refroidissement de l'échantillon montrent que la plaque céramique en silicate d'alumine présente un processus d'usure progressif à RT, la profondeur de la trace d'usure augmente progressivement tout au long de l'essai d'usure pour atteindre ~170 et ~150 μm, respectivement. 

En comparaison, les essais d'usure à des températures élevées (400°C et 800°C) présentent un comportement d'usure différent - la profondeur de la trace d'usure augmente rapidement au début du processus d'usure, et elle ralentit au fur et à mesure que l'essai se poursuit. Les profondeurs des traces d'usure pour les essais réalisés aux températures 400°C-I, 800°C et 400°C-D sont respectivement de ~140, ~350 et ~210 μm.

COF pendant les essais "pin-on-desk" à différentes températures

FIGURE 1. Coefficient de frottement pendant les essais "pin-on-disk" à différentes températures

Profondeur de la trace d'usure de la plaque céramique en silicate d'alumine à différentes températures

FIGURE 2. Évolution de la profondeur des traces d'usure de la plaque céramique en silicate d'alumine à différentes températures

Le taux d'usure moyen et la profondeur des traces d'usure des plaques céramiques en silicate d'alumine à différentes températures ont été mesurés à l'aide de la méthode suivante NANOVEA Optical Profiler comme résumé dans FIGURE 3. La profondeur de la trace d'usure est en accord avec celle enregistrée par LVDT. La plaque en céramique de silicate d'alumine présente un taux d'usure sensiblement accru de ~0,5 mm3/Nm à 800°C, par rapport aux taux d'usure inférieurs à 0,2 mm3/Nm à des températures inférieures à 400°C. La plaque en céramique de silicate d'alumine ne présente pas de propriétés mécaniques/tribologiques significativement améliorées après le court processus de chauffage, possédant un taux d'usure comparable avant et après le traitement thermique.

La céramique de silicate d'alumine, également connue sous le nom de lave et de pierre des merveilles, est molle et usinable avant le traitement thermique. Un long processus de cuisson à des températures élevées (jusqu'à 1093°C) peut considérablement améliorer sa dureté et sa résistance, après quoi un usinage au diamant est nécessaire. Cette caractéristique unique fait de la céramique de silicate d'alumine un matériau idéal pour la sculpture.

Dans cette étude, nous montrons que le traitement thermique à une température inférieure à celle requise pour la cuisson (800°C vs 1093°C) dans un temps court n'améliore pas les caractéristiques mécaniques et tribologiques de la céramique de silicate d'alumine, faisant de la cuisson appropriée un processus essentiel pour ce matériau avant son utilisation dans les applications réelles.

 
Taux d'usure et profondeur des traces d'usure de l'échantillon à différentes températures 1

FIGURE 3. Taux d'usure et profondeur des traces d'usure de l'échantillon à différentes températures

CONCLUSION

Sur la base de l'analyse tribologique complète de cette étude, nous montrons que la plaque en céramique de silicate d'alumine présente un coefficient de frottement comparable à différentes températures, de la température ambiante à 800°C. Cependant, elle présente un taux d'usure sensiblement accru de ~0,5 mm3/Nm à 800°C, ce qui démontre l'importance d'un traitement thermique approprié de cette céramique.

Les tribomètres NANOVEA sont capables d'évaluer les propriétés tribologiques des matériaux pour des applications à des températures élevées allant jusqu'à 1000°C. La fonction de mesure in situ du COF et de la profondeur des traces d'usure permet aux utilisateurs de corréler les différentes étapes du processus d'usure avec l'évolution du COF, ce qui est essentiel pour améliorer la compréhension fondamentale du mécanisme d'usure et des caractéristiques tribologiques des matériaux utilisés à des températures élevées.

Les tribomètres NANOVEA offrent des tests d'usure et de friction précis et répétables en utilisant des modes rotatifs et linéaires conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules optionnels d'usure à haute température, de lubrification et de tribo-corrosion disponibles dans un système pré-intégré. La gamme inégalée de NANOVEA est une solution idéale pour déterminer la gamme complète des propriétés tribologiques des revêtements, films et substrats minces ou épais, souples ou durs.

Des profileurs 3D sans contact sont disponibles en option pour l'imagerie 3D haute résolution des traces d'usure en plus d'autres mesures de surface telles que la rugosité.

MESURE DE L'USURE IN-SITU

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Analyse de la surface des écailles de poisson à l'aide d'un profileur optique 3D

Analyse de la surface des écailles de poisson à l'aide d'un profileur optique 3D

En savoir plus

ANALYSE DE LA SURFACE DES ÉCAILLES DE POISSON

en utilisant le PROFILER OPTIQUE 3D

Profilomètre à écailles de poisson

Préparé par

Andrea Novitsky

INTRODUCTION

La morphologie, les motifs et d'autres caractéristiques d'une écaille de poisson sont étudiés à l'aide du NANOVEA Profileur optique 3D sans contact. La nature délicate de cet échantillon biologique ainsi que ses rainures très petites et fortement inclinées soulignent également l'importance de la technique sans contact du profileur. Les rainures de l'échelle sont appelées cercles et peuvent être étudiées pour estimer l'âge du poisson, et même distinguer des périodes de taux de croissance différents, semblables aux cernes d'un arbre. Il s’agit d’informations très importantes pour la gestion des populations de poissons sauvages afin de prévenir la surpêche.

Importance de la profilométrie 3D sans contact pour les études biologiques

Contrairement à d'autres techniques telles que les palpeurs tactiles ou l'interférométrie, le profileur optique 3D sans contact, qui utilise le chromatisme axial, peut mesurer presque toutes les surfaces. La taille des échantillons peut varier considérablement grâce à la mise en scène ouverte et aucune préparation d'échantillon n'est nécessaire. Les caractéristiques allant du nanomètre au macromètre sont obtenues pendant la mesure du profil de la surface, sans aucune influence de la réflectivité ou de l'absorption de l'échantillon. L'instrument offre une capacité avancée de mesurer des angles de surface élevés sans manipulation logicielle des résultats. Tout matériau peut être facilement mesuré, qu'il soit transparent, opaque, spéculaire, diffus, poli ou rugueux. La technique offre une capacité idéale, large et conviviale pour maximiser les études de surface ainsi que les avantages des capacités combinées 2D et 3D.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette application, nous présentons NANOVEA ST400, un profileur 3D sans contact doté d'un capteur à grande vitesse, qui permet une analyse complète de la surface d'une échelle.

L'instrument a été utilisé pour scanner l'ensemble de l'échantillon, ainsi qu'un scan à plus haute résolution de la zone centrale. La rugosité de la surface extérieure et intérieure de l'écaille a également été mesurée à des fins de comparaison.

NANOVEA

ST400

Caractérisation de surface 3D et 2D de l'écaille extérieure

La vue 3D et la vue en fausses couleurs de l'écaille extérieure montrent une structure complexe semblable à une empreinte digitale ou aux anneaux d'un arbre. Les utilisateurs disposent ainsi d'un outil simple pour observer directement la caractérisation de la surface de l'écaille sous différents angles. Diverses autres mesures de l'écaille extérieure sont présentées, ainsi que la comparaison des côtés extérieur et intérieur de l'écaille.

Profilomètre à échelle de poisson à vue 3D
Profilomètre 3D à volume de balayage en écailles de poisson
Scanner d'écailles de poisson Hauteur d'étape Profileur optique 3D

COMPARAISON DE LA RUGOSITÉ DE LA SURFACE

Profilomètre à écailles de poisson Scanning 3D

CONCLUSION

Dans cette application, nous avons montré comment le profileur optique sans contact NANOVEA 3D peut caractériser une écaille de poisson de diverses manières. 

Les surfaces externe et interne de l'écaille peuvent être facilement distinguées par la seule rugosité de surface, avec des valeurs de rugosité de 15,92μm et 1,56μm respectivement. En outre, des informations précises et exactes peuvent être obtenues sur une écaille de poisson en analysant les rainures, ou circuli, sur la surface externe de l'écaille. La distance des bandes de circuli par rapport au foyer central a été mesurée, et la hauteur des circuli s'est également avérée être d'environ 58μm de haut en moyenne. 

Les données présentées ici ne représentent qu'une partie des calculs disponibles dans le logiciel d'analyse.

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