La présente invention concerne un substrat revêtu sur une surface externe par une couche de protection contre l'érosion.

Arrière-plan de l'invention

L'érosion provoquée par des particules telles que les poussières, le sable, la neige, la pluie, la grêle, ou le sel peut conduire à une modification de l'état de surface, voire de la géométrie d'un substrat. Cette érosion peut aussi conduire à une dégradation de la tenue structurale du substrat.

Dans le cas particulier des pales, comme des pales rotatives telles que des pales d'éoliennes, l'érosion par les particules peut conduire à une modification de l'état de surface au niveau de leur bord d'attaque, impactant négativement les propriétés aérodynamiques de la pale. D'autres éléments peuvent être négativement affectés par l'érosion, c'est le cas notamment de compositions de peinture destinées à revêtir des équipements industriels ou des bâtiments.

Diverses solutions ont été proposées afin de conférer aux substrats une résistance accrue à l'érosion. On peut en particulier citer l'application de peintures spécifiques et de films, principalement à base de polyuréthane, sur les bords d'attaque de pales d'éolienne.

Les techniques de protection existantes présentent toutefois une durée de vie qui peut être améliorée. L'amélioration de cette durée de vie permettrait de diminuer la fréquence d'opérations de maintenance. En outre, la durée de vie d'un produit de protection a tendance à réduire avec l'augmentation de la taille des pales du fait de l'augmentation de la vitesse de choc, rendant ainsi encore plus souhaitable de disposer d'une protection conférant une résistance à l'érosion améliorée.

Objet et résumé de l'invention

L'invention vise, selon un premier aspect, un substrat revêtu sur une surface externe par une couche de protection contre l'érosion, ladite couche de protection comprenant une résine dans laquelle sont dispersées des fibres ayant une longueur moyenne comprise entre 50 pm et 500 pm. L'emploi de fibres ayant une longueur moyenne particulière, comprise entre 50 pm et 500 pm, permet avantageusement de conférer au substrat une résistance à l'érosion améliorée. Les fibres ayant une telle longueur permettent en effet la création d'un réseau au sein de la couche de protection retenant les éléments endommagés suite à l'impact avec les particules responsables de l'érosion. Lorsque les fibres ont une longueur moyenne inférieure à 50 pm ou supérieure à 500 pm, le réseau créé ne permet pas d'améliorer la résistance à l'érosion de manière satisfaisante.

Dans un exemple de réalisation, la longueur moyenne des fibres est comprise entre 80 pm et 150 pm.

L'emploi de fibres ayant une telle longueur moyenne permet d'améliorer davantage encore la résistance à l'érosion.

Dans un exemple de réalisation, les fibres sont choisies parmi : les fibres de carbone, les fibres de verre, les fibres de silice, les fibres de basalte, les fibres d'origine naturelle, comme les fibres de lin, et leurs mélanges. En particulier, les fibres peuvent être des fibres de carbone.

De telles natures de fibres permettent avantageusement d'améliorer davantage encore la résistance à l'érosion.

Dans un exemple de réalisation, les fibres sont présentes dans la couche de protection en une teneur massique comprise entre 0,1% et 30%, par exemple entre 2,5% et 25%.

Une telle caractéristique permet d'améliorer davantage encore la résistance à l'érosion.

Dans un exemple de réalisation, le diamètre moyen des fibres est inférieur ou égal à 50 pm.

L'emploi de fibres ayant un tel diamètre moyen permet avantageusement d'obtenir un réseau plus homogène permettant d'encore mieux retenir des éléments endommagés, et donc d'améliorer davantage encore la résistance à l'érosion.

Dans un exemple de réalisation, la résine est une résine polyuréthane.

Dans un exemple de réalisation, la couche de protection est une couche de peinture dans laquelle sont dispersées les fibres.

Dans un exemple de réalisation, le substrat présente un profil aérodynamique. En particulier, le substrat peut être choisi parmi : une pale, une aile d'aéronef ou un fuselage d'aéronef. En particulier, le substrat peut être une pale d'éolienne.

Dans un exemple de réalisation, le substrat est en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, ou en matériau métallique. En particulier, la matrice peut être une matrice organique.

Brève description des dessins

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :

- la figure 1 représente, de manière schématique, un premier exemple de substrat revêtu selon l'invention,

- la figure 2 représente, de manière schématique, un deuxième exemple de substrat revêtu selon l'invention,

- la figure 3 représente, de manière schématique, un troisième exemple de substrat revêtu selon l'invention,

- la figure 4 représente, de manière schématique, une pale d'éolienne revêtue selon l'invention,

- les figures 5A à 5D sont des photographies d'un résultat d'essai d'érosion à l'eau réalisé sur un substrat revêtu hors invention,

- les figures 6A à 6F sont des photographies d'un résultat d'essai d'érosion à l'eau réalisé sur un premier exemple de substrat revêtu selon l'invention, et

- les figures 7A à 7D sont des photographies d'un résultat d'essai d'érosion à l'eau réalisé sur un deuxième exemple de substrat revêtu selon l'invention.

Description détaillée de modes de réalisation

On a représenté à la figure 1 un substrat 1 revêtu sur une surface externe 6 par une couche 3 de protection contre l'érosion. La couche 3 de protection peut être au contact de la surface externe 6 du substrat 1. Lorsqu'elle n'est pas revêtue de la couche 3 de protection, la surface externe 6 du substrat 1 est destinée à être exposée à un flux de particules responsables d'un phénomène d'érosion, par exemple à des gouttes d'eau ou à des particules solides. Le substrat 1 peut être en matériau composite et comporter un renfort fibreux densifié par une matrice. La matrice peut être une matrice organique, telle qu'une résine époxy. Le renfort fibreux peut comporter des fibres de renfort en verre ou en carbone, ou un mélange de telles fibres de renfort. En variante, le substrat 1 peut être métallique, par exemple en alliage d'aluminium.

La couche 3 de protection comprend une résine 5 dans laquelle sont dispersées des fibres 7 ayant une longueur moyenne comprise entre 50 pm et 500 pm. On désigne par « longueur moyenne », la longueur donnée par la distribution statistique à la moitié de la population (taille D50). La longueur moyenne des fibres peut être comprise entre 80 pm et 150 pm.

Comme indiqué plus haut, le diamètre moyen des fibres peut être inférieur ou égal à 50 pm. Le diamètre d'une fibre désigne sa plus grande dimension transversale. On désigne par « diamètre moyen », le diamètre donné par la distribution statistique à la moitié de la population.

Les fibres 7 peuvent être choisies parmi : les fibres de carbone, les fibres de verre, les fibres de silice, les fibres de basalte, les fibres d'origine naturelle, comme les fibres de lin, et leurs mélanges. En particulier, les fibres 7 peuvent être des fibres de carbone.

La résine 5 peut être une résine polyuréthane. En variante, la résine 5 peut être une résine époxy.

Selon un exemple, la couche 3 de protection peut être formée en dispersant les fibres 7 dans une composition de peinture. La couche 3 de protection peut être essentiellement constituée d'une composition de peinture comprenant les fibres 7. Un exemple de composition de peinture pouvant être mis en oeuvre dans le cadre de l'invention est la peinture commercialisée sous la référence « RELEST® Wind HS Topcoat RAL 7035 » par la société BASF.

Les fibres 7 peuvent être présentes dans la couche 3 de protection en une teneur massique supérieure ou égale à 0,1%, par exemple supérieure ou égale à 2,5%, par exemple supérieure ou égale à 5%.

Les fibres 7 peuvent par exemple être présentes dans la couche 3 de protection en une teneur massique comprise entre 0,1% et 30%, par exemple entre 0,1% et 10%. Les fibres 7 peuvent par exemple être présentes dans la couche 3 de protection en une teneur massique comprise entre 2,5% et 25%, par exemple entre 2,5% et 10%, voire entre 5% et 10%.

L'épaisseur e de la couche 3 de protection peut être supérieure ou égale à 50 pm, par exemple à 100 pm.

On a représenté à la figure 2 un exemple de réalisation dans lequel la surface externe 6 du substrat 1 a été revêtue par plusieurs couches de protection 3a et 3b chargées par les fibres 7. Les caractéristiques de la couche 3 de protection décrites en lien avec la figure 1 s'appliquent à chacune des couches de protection 3a et 3b. La couche de protection 3b peut être au contact de la couche de protection 3a. La couche de protection 3b peut être identique ou différente de la couche de protection 3a. On a représenté un exemple de réalisation à deux couches de protection 3a et 3b superposées. Dans une variante non illustrée, le revêtement pourrait être formé de plus de deux couches superposées chargées de fibres 7.

Dans les exemples des figures 1 et 2, la couche externe du revêtement recouvrant le substrat 1 (i.e. la couche plus éloignée du substrat 1) est formée par une couche 3 ou 3b chargée par des fibres 7 de longueur moyenne comprise entre 50 pm et 500 pm. On ne sort toutefois pas du cadre de l'invention lorsqu'il en est autrement, comme il va à présent être décrit en lien avec la figure 3.

Dans le cas de la figure 3, la couche externe 4 du revêtement recouvrant le substrat 1 n'est pas chargée par les fibres 7. La couche externe 4 peut être une couche de peinture. La couche externe 4 peut apporter une fonction anti-érosion ou une fonction esthétique. Les caractéristiques de la couche de protection 3 décrite en lien avec la figure 1 s'appliquent à la couche de protection 3a de l'exemple de la figure 3. La couche externe 4 peut être au contact de la couche de protection 3. Dans une variante non illustrée, on pourrait avoir une pluralité de couches superposées chacune chargée par des fibres 7, et une couche externe 4 recouvrant ces couches superposées. On a représenté à la figure 4 un exemple dans lequel le substrat 10 revêtu a un profil aérodynamique et constitue ici une pale d'éolienne 10. Selon cet exemple, la couche de protection 3 recouvre notamment le bord d'attaque du substrat 10. L'épaisseur de la couche de protection 3 a été volontairement augmentée sur la figure 4 pour des raisons de lisibilité.

Dans cet exemple, le substrat 10 constitue une pièce rotative, c'est-à-dire une pièce destinée à être mise en rotation. Le substrat revêtu peut être une pièce mobile comme une pale, une aile d'aéronef ou un fuselage d'aéronef. En variante, le substrat peut constituer une partie fixe comme la surface exposée à l'environnement extérieur d'un équipement industriel ou d'un bâtiment.

Exemples

Différents essais ont été réalisés pour évaluer l'amélioration de la résistance à l'érosion obtenue par mise en œuvre de l'invention. Les essais ont tous été effectués selon la norme ASTM G73-10 (« Standard test method for liquid impingement érosion using rotating apparatus »).

Exemple 1 (comparatif)

Un premier essai hors invention a été réalisé pour lequel les résultats sont fournis aux figures 5A à 5D.

Lors de cet essai, une peinture commercialisée sous la référence « RELEST® Wind HS Topcoat RAL 7035 » par la société BASF a été appliquée sur un substrat de sorte à former un revêtement ayant une épaisseur d'environ 150 pm.

Les figures 5A, 5B, 5C et 5D montrent l'état du revêtement respectivement à 0, 30, 60 et 90 minutes.

Le revêtement commence à être endommagé au bout de 60 minutes (figure 5C). Suite à cet endommagement, l'érosion est ensuite rapide. On constate que le revêtement est complètement érodé au bout de 90 minutes (figure 5D).

Exemple 2 (selon l'invention)

Un essai selon l'invention a été réalisé pour lequel les résultats sont fournis aux figures 6A à 6F. Lors de cet essai des fibres de carbone préalablement coupées à une longueur moyenne de 120 pm ont été dispersées dans la peinture commercialisée sous la référence « RELEST® Wind HS Topcoat RAL 7035 » par la société BASF. Le diamètre moyen des fibres utilisées était de 7 pm. Cette composition a ensuite été appliquée sur un substrat de sorte à former un revêtement ayant une épaisseur d'environ 150 pm. Le revêtement formé avait une teneur massique de 10% en fibres de carbone.

Les figures 6A, 6B, 6C, 6D, 6E et 6F montrent l'état du revêtement respectivement à 0, 30, 60, 90, 120 et 150 minutes.

La présence de fibres dans la couche de protection modifie le mode de dégradation et améliore la résistance à l'érosion. Lorsque les fibres sont présentes, l'état de surface de la couche de protection est modifié plutôt que celle-ci ne s'érode. L'apparition d'un percement de la couche de protection est repoussée dans le temps.

On constate des traces visibles dès 60 minutes traduisant la modification de l'état de surface de la couche de protection (figures 6C- 6E).

En revanche, le premier percement local de la couche de protection n'est obtenu qu'après 150 minutes d'essai (figure 6F). En outre, même au bout de 150 minutes d'essai, la couche de protection n'est pas complètement érodée mais seulement percée localement à la différence de l'essai hors invention selon l'exemple 1 où une érosion complète était obtenue dès 90 minutes.

Exemple 3 (selon l'invention)

Un autre essai selon l'invention a été réalisé pour lequel les résultats sont fournis aux figures 7A à 7D.

Cet essai était identique à celui de l'exemple 2 à la différence que le revêtement formé présentait une teneur massique de 2,5% en fibres de carbone.

Les figures 7A, 7B, 7C et 7D montrent l'état du revêtement respectivement à 0, 30, 60 et 90 minutes.

Le revêtement de l'exemple 3 présente une meilleure résistance à l'érosion que celui de l'exemple 1. Il est en effet simplement obtenu au bout 90 minutes d'essai un percement local et non plus une érosion complète comme dans l'essai hors invention selon l'exemple 1.

L'expression « comprise entre ... et ... » doit se comprendre comme incluant les bornes.