Solid Particle Erosion Mechanisms of Protective Coatings for Aerospace Applications

Le progrès économique et technologique ainsi que les considérations environnementales nécessitent la conception d'équipements de plus en plus performants, sollicitant les composantes aux limites de leur capacité. Une conséquence importante de cette demande accrue au niveau de la performance est que les lacunes de type tribologique, telles que la dégradation du lubrifiant, l'usure excessive et la tribocorrosion, peuvent être amplifiées de façon significative, menant à des coûts d'exploitation additionnels, une efficacité moindre et une défaillance prématurée. Puisque les processus tribologiques découlent de l'interaction entre au moins deux corps en mouvement relatif dans un environnement donné, l'ingénierie de surface peut permettre de conférer aux surfaces la performance de pointe requise lorsque les conditions de fonctionnement sont très exigeantes. Dans ce contexte, la conception de systèmes de matériaux appropriés doit être guidée par une connaissance poussée des mécanismes de dégradation et de la réponse de la surface au chargement et à la déformation, qui agissent souvent de façon synergique. L'érosion par impact de particules solides (EIPS) survient lorsque des particules solides dures, présentes dans l'environnement, sont entraînées par un fluide et impactent les surfaces de composantes. Ce type de dommage est spécifiquement marqué dans la première section d'un moteur d'avion, où les pales du compresseur peuvent s'éroder à un point tel que la performance aérodynamique et même l'intégrité structurale sont compromises. Ainsi, de nombreux travaux de recherche ont été réalisés dans les secteurs académique et industriel afin de comprendre les mécanismes de perte de matière impliqués dans l'EIPS et afin de développer des technologies protectrices dans le but d'améliorer la durée de vie utile des composantes. Un exemple est l'utilisation de revêtements protecteurs durs afin de limiter l'érosion des composantes de moteur d'avion, qui sont pour la plupart métalliques. Dans cette optique, l'objectif principal de ce projet de doctorat est d'étudier les mécanismes de perte de matière pendant l'EIPS de couches dures protectrices, incluant les systèmes nanocomposites et nanostructurés. De plus, étant donné la nature complexe des mécanismes d'EIPS, des méthodologies expérimentales rigoureuses doivent être mises en oeuvre, et les effets de tous les paramètres de test impliqués doivent être entièrement compris. Dans cette thèse de doctorat, l'importance de la méthodologie expérimentale est mise de l'avant tout au long du

Abstract

Economic and technological progress, as well as environmental concerns, require that modern equipment be designed with ever more stringent performance criteria, frequently pushing components to the very limits of their capabilities. One major consequence of this increased demand on performance is that tribological deficiencies, such as lubrication breakdown, excessive wear and tribo-corrosion, can be significantly amplified, leading to unnecessary operational costs, decreased efficiency and premature failure. Because tribological processes result from the interaction of two or more bodies in relative motion in a particular environment, surface engineering can be used to confer to surfaces the high performance needed for demanding operational conditions. In this context, the design of the appropriate material system must be guided by an accurate understanding of the degradation mechanisms and the surface response to loading and deformation, frequently acting in synergy. Solid Particle Erosion (SPE) occurs in situations where hard solid particles present in the environment are entrained in a fluid stream, and impact component surfaces. This type of damage is most prominent in the first stage of the aircraft engine, where the compressor blades can be eroded to such an extent that aerodynamic performance and even structural integrity are compromised. Consequently, much work has been done in academia and industry in order to understand the material loss mechanisms present in SPE and to develop protective technologies that will increase component lifetimes. One such technology is the use of hard protective coatings to impede the erosion of the predominantly metallic engine components. Accordingly, the main objective of this PhD project is to investigate the material loss mechanisms during SPE of hard protective coatings, including nanocomposite and nanostructured systems. In addition, because of the complex nature of SPE mechanisms, rigorous testing methodologies need to be employed and the effects of all testing parameters need to be fully understood. In this PhD project, the importance of testing methodology is addressed throughout in order to effectively study the SPE mechanisms of brittle materials and coatings. In the initial stage of this thesis, we studied the effect of the addition of silicon (Si) on the microstructure, mechanical properties and, more specifically, on the SPE resistance of thick CrNbased coatings. It was found that the addition of Si significantly improved the erosion resistance and that SPE correlated with the microhardness values, i.e. the coating with the highest