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Solid Particle Erosion Mechanisms of Protective Coatings for Aerospace Applications

Etienne Bousser

Ph.D. thesis (2013)

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Abstract

Economic and technological progress, as well as environmental concerns, require that modernequipment be designed with ever more stringent performance criteria, frequently pushingcomponents to the very limits of their capabilities. One major consequence of this increaseddemand on performance is that tribological deficiencies, such as lubrication breakdown,excessive wear and tribo-corrosion, can be significantly amplified, leading to unnecessaryoperational costs, decreased efficiency and premature failure. Because tribological processesresult 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 demandingoperational conditions. In this context, the design of the appropriate material system must beguided by an accurate understanding of the degradation mechanisms and the surface response toloading and deformation, frequently acting in synergy.Solid Particle Erosion (SPE) occurs in situations where hard solid particles present in theenvironment are entrained in a fluid stream, and impact component surfaces. This type of damageis most prominent in the first stage of the aircraft engine, where the compressor blades can beeroded to such an extent that aerodynamic performance and even structural integrity arecompromised. Consequently, much work has been done in academia and industry in order tounderstand the material loss mechanisms present in SPE and to develop protective technologiesthat will increase component lifetimes. One such technology is the use of hard protective coatingsto impede the erosion of the predominantly metallic engine components.Accordingly, the main objective of this PhD project is to investigate the material lossmechanisms during SPE of hard protective coatings, including nanocomposite andnanostructured systems. In addition, because of the complex nature of SPE mechanisms, rigoroustesting methodologies need to be employed and the effects of all testing parameters need to befully understood. In this PhD project, the importance of testing methodology is addressedthroughout 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 themicrostructure, mechanical properties and, more specifically, on the SPE resistance of thick CrNbasedcoatings. It was found that the addition of Si significantly improved the erosion resistanceand that SPE correlated with the microhardness values, i.e. the coating with the highest

Résumé

Le progrès économique et technologique ainsi que les considérations environnementalesnécessitent la conception d'équipements de plus en plus performants, sollicitant les composantesaux limites de leur capacité. Une conséquence importante de cette demande accrue au niveau dela 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 descoûts d'exploitation additionnels, une efficacité moindre et une défaillance prématurée. Puisqueles processus tribologiques découlent de l'interaction entre au moins deux corps en mouvementrelatif dans un environnement donné, l'ingénierie de surface peut permettre de conférer auxsurfaces la performance de pointe requise lorsque les conditions de fonctionnement sont trèsexigeantes. Dans ce contexte, la conception de systèmes de matériaux appropriés doit être guidéepar une connaissance poussée des mécanismes de dégradation et de la réponse de la surface auchargement 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 decomposantes. Ce type de dommage est spécifiquement marqué dans la première section d'unmoteur d'avion, où les pales du compresseur peuvent s'éroder à un point tel que la performanceaérodynamique et même l'intégrité structurale sont compromises. Ainsi, de nombreux travaux derecherche ont été réalisés dans les secteurs académique et industriel afin de comprendre lesmécanismes de perte de matière impliqués dans l'EIPS et afin de développer des technologiesprotectrices dans le but d'améliorer la durée de vie utile des composantes. Un exemple estl'utilisation de revêtements protecteurs durs afin de limiter l'érosion des composantes de moteurd'avion, qui sont pour la plupart métalliques.Dans cette optique, l'objectif principal de ce projet de doctorat est d'étudier les mécanismes deperte de matière pendant l'EIPS de couches dures protectrices, incluant les systèmesnanocomposites et nanostructurés. De plus, étant donné la nature complexe des mécanismesd'EIPS, des méthodologies expérimentales rigoureuses doivent être mises en oeuvre, et les effetsde tous les paramètres de test impliqués doivent être entièrement compris. Dans cette thèse dedoctorat, l'importance de la méthodologie expérimentale est mise de l'avant tout au long du
Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Ludvik Martinu, Jolanta-Ewa Sapieha
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/1126/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 17 Jul 2013 11:31
Last Modified: 09 Nov 2022 21:57
Cite in APA 7: Bousser, E. (2013). Solid Particle Erosion Mechanisms of Protective Coatings for Aerospace Applications [Ph.D. thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/1126/

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