Etude de la resistance a l'erosion de divers composites a matrice d'aluminium

Abstract

The aim of this study was to investigate the behavior of metal matrix composites under conditions of abrasive slurry erosion. In order to identify the erosion mechanisms associated with composites, it was necessary to model the fluid flow and its influence on the trajectories of abrasive particles. An analysis based on potential and stream functions led to the determination of the velocity components of the fluid in the axisymmetrical jet. The boundary conditions corresponding to the free surface of the jet were included in the numerical resolution of the differential equations given by the inverse formulation of the fluid flow. The observation of the eroded surfaces of the aluminum specimens was useful to verify the predictions that could be made from the particle trajectories. The observation pointed out the influence on particle trajectories of the following parameters: abrasive particle size, abrasive concentration in the slurry and impact angle of the slurry jet on the surface. The results obtained on aluminum helped also to interpret the observations made on the two types of aluminum composites reinforced with particulates and fibers. Thus, two erosion mechanisms were identified. The first one consists of microcutting of the matrix while reinforcing elements have good resistance against particles impacts. This mechanism corresponds to mild erosion conditions. The second mechanism is characterized by the fracture of the reinforcing elements caused by the impacts of severe erosion conditions. The activation of these mechanisms depends strongly on the relative size of the abrasive particles with respect to the size of the areas where there is no reinforcement (particulates or fibers).

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Le but de cette étude était d'étudier le comportement des composites à matrice métallique dans des conditions d'érosion par coulis abrasif. Afin d'identifier les mécanismes d'érosion associés aux composites, il était nécessaire de modéliser l'écoulement des fluides et son influence sur les trajectoires des particules abrasives. Une analyse basée sur les fonctions de potentiel et de courant a conduit à la détermination des composantes de vitesse du fluide dans le jet axisymétrique. Les conditions aux limites correspondant à la surface libre du jet ont été incluses dans la résolution numérique des équations différentielles données par la formulation inverse de l'écoulement du fluide. L'observation des surfaces érodées des échantillons d'aluminium a été utile pour vérifier les prédictions qui pouvaient être faites à partir des trajectoires des particules. L'observation a mis en évidence l'influence sur les trajectoires des particules des paramètres suivants : taille des particules abrasives, concentration en abrasif dans le lisier et angle d'impact du jet de lisier sur la surface. Les résultats obtenus sur l'aluminium ont également permis d'interpréter les observations faites sur les deux types de composites aluminium renforcés de particules et de fibres. Ainsi, deux mécanismes d'érosion ont été identifiés. La première consiste en une micro-découpe de la matrice tandis que les éléments de renfort ont une bonne résistance aux impacts de particules. Ce mécanisme correspond à des conditions d'érosion douce. Le deuxième mécanisme est caractérisé par la rupture des éléments de renforcement provoquée par les impacts de conditions d'érosion sévères. L'activation de ces mécanismes dépend fortement de la taille relative des particules abrasives par rapport à la taille des zones où il n'y a pas de renforcement (particules ou fibres).