Triebwerkskomponenten in Luft- und Raumfahrtfahrzeugen unterliegen im Einsatz erosivem Verschleiß. Feine Stäube und Partikel wie Sand, Vulkanasche und Eiskristalle führen bei einer Wechselwirkung mit den Triebwerksschaufeln zum Materialabtrag. Auswirkungen reichen von einer erhöhten Oberflächenrauheit der Schaufel bis hin zu einer Veränderung der Bauteilgeometrie. Im Bereich des Verdichters treffen z. B. angesaugte Partikel senkrecht auf die Schaufelvorderkanten auf, wodurch sich die Profilsehnen verkürzen. Im Bereich der Schaufelhinterkanten erfolgt aufgrund des flachen Auftreffwinkels des Abrasivmittels ein flächiger Materialabtrag, der die Schaufeldicke reduziert. Durch eine Beschichtung von Bauteiloberflächen eröffnet sich eine Möglichkeit, Triebwerksschaufeln effektiv vor Partikelerosion zu schützen. Im Vordergrund der Entwicklung von Erosionsschutzschichten steht ihre verschleißreduzierende Wirkung, die durch das bestmögliche Verhältnis von Schichtzähigkeit und –härte zum Grundwerkstoff erreicht wird. Diese Arbeit liefert Untersuchungen zu Wechselwirkungen zwischen Beschichtungen und Grundwerkstoff als Gesamtsystem und den daraus resultierenden Einfluss auf das Partikelerosionsverhalten des Bauteils. Ziel der Untersuchungen ist es, eine bestmögliche Auswahl qualifizierter Schichtsysteme für den Erosionsschutz zu gewährleisten. Dafür wurden verschiedene Kombinationen aus PVD-Beschichtungen (konventionelle Hartstoffschichten, Cr2AlC MAX-Phase, DLC ta-C) und Grundwerkstoffen (Inconel 718 lösungsgeglüht, Inconel 718 ausscheidungsgehärtet, WC-Co) hinsichtlich ihres Partikelerosionsverhaltens getestet und ihre Schichtverbundeigenschaften charakterisiert, um relevante Einflussgrößen auf die Partikelerosion zu eruieren. Die dabei ablaufenden verschiedenen Erosionsmechanismen wurden analysiert und in grundlegende Modelle überführt. Abgerundet wurden diese experimentellen Untersuchungen mit theoretischen Betrachtungen zum mechanischen Verhalten unterschiedlicher Kombinationen von Beschichtung und Grundwerkstoff bei Partikelimpakt. Die vorliegende Arbeit leistet einen essentiellen Beitrag zum besseren Verständnis des Einflusses von Schicht-Grundwerkstoff-Verbundeigenschaften auf das Partikelerosionsverhalten. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass das Deformationsverhalten des Substrats einen erheblichen Einfluss auf das Erosionsverhalten des Schicht-Grundwerkstoff-Systems hat. Im Falle eines duktilen Substrats ist eine entsprechend gute Schichthaftung von wesentlicher Bedeutung. Die Erosionsversuche auf hartem WCCo Grundwerkstoff zeigen, dass bei Vorhandensein identischer mechanischer Eigenschaften von Substrat und Beschichtung die Schichthaftung nicht in dem Maße erforderlich ist, wie bei plastisch verformbaren Grundwerkstoffen. Erstmalig wird in dieser Arbeit das schadenstolerante Erosionsverhalten der superharten DLC ta-C-Beschichtung auf duktilem Inconel 718 aufgezeigt. Der hohe elastische Verformungsanteil der DLC-Beschichtung in Kombination mit einer guten Schichthaftung resultiert in einem hohen Erosionswiderstand des Schicht-Grundwerkstoff-Verbunds, wobei im Versuch keine plastische Verformung des Grundwerkstoffs nachgewiesen wird.

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Made available in DSpace on 2014-12-17T14:07:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MichelePT.pdf: 1085937 bytes, checksum: 9dafe388fed079c9a3f014f2d96a5186 (MD5) Previous issue date: 2007-04-27 / Petr?leo Brasileiro SA - PETROBRAS / The main problem on the exploration activity on petroleum industry is the formation water resulted on the fields producing. The aggravating of this problem is correlated with the advancing technologies used on the petroleum extractions and on its secondary approach objecting the reobtainment of this oil. Among the main contaminants of the water formation are corrosives gases such as: O2, CO2 and H2S, some solids in suspension and dissolved salts. Concerning to those gases the CO2 is the one that produce significant damage for carbon steel on corrosion process of the petroleum and gas industries. Corrosion inhibitors for carbon steel in formation water is one of the most used agents in control of those damages. In this context, the poor investigations of carbon steel corrosion proceeding from solids in suspension is an opened field for studies. On this work the inhibitor effect of the commercial CORRTREAT 703 was evaluated on some specific solids in suspension at saline medium containing 10.000 ppm of de-aerated chloride using CO2 until non oxygen atmosphere been present. For that, quartz, calcium carbonate, magnetite and iron sulphide were subjected to this investigation as the selected solids. The effect of this inhibitor on corrosion process correlated with those specific solids, was measured using electrochemical (resistance of linear polarization and galvanic pair) and gravimetrical techniques. During all the experimental work important parameters were monitored such as: pH, dissolved oxygen, temperature, instantaneous corrosion rate and galvanic current. According to the obtained results it was proved that the suspension solids calcium carbonate and iron sulphide decrease the corrosion process in higher pH medium. Meanwhile the quartz and magnetite been hardness increase corrosion by broking of the passive layer for erosion. In the other hand, the tested inhibitor in concentration of 50 ppm, showed to be effective (91%) in this corrosion process / O principal problema ligado ? atividade de explora??o de petr?leo ? a ?gua que se produz nos campos produtores. O agravamento deste problema se deve aos avan?os obtidos nos processos de extra??o de petr?leo, bem como ?s opera??es secund?rias que objetivam a recupera??o de petr?leo. Os principais contaminantes presentes nesta ?gua que contribuem para o desenvolvimento de processos corrosivos s?o: gases (que se encontram dissolvidos na ?gua, tais como O2, CO2 e H2S), s?lidos em suspens?o e sais dissolvidos. Dentre os gases destaca-se o CO2 que provoca desgaste significativo nas tubula??es (de a?o carbono) de ind?strias de petr?leo e g?s natural. O uso de inibidores de corros?o ? uma pr?tica comum no combate aos processos corrosivos. Neste contexto, os contaminantes do tipo particulados s?lidos s?o pouco avaliados. Desta forma, neste trabalho, o efeito do inibidor de uso comercial CORRTREAT 703 em particulados s?lidos comumente encontrados em oleodutos. Utilizou-se um meio salino contendo 10.000 ppm de cloreto desaerado com CO2 at? obten??o de um meio isento de oxig?nio. Para tanto, os s?lidos escolhidos foram: quartzo, magnetita, carbonato de c?lcio e sulfeto de ferro. A efici?ncia de inibi??o do CORRTREAT 703 na corros?o provocada por estes s?lidos, foi medida com o uso de t?cnicas eletroqu?micas (resist?ncia de polariza??o linear e par galv?nico) e gravim?tricas. Durante todo o trabalho experimental, foram monitorados os seguintes par?metros: pH, oxig?nio dissolvido, temperatura, taxa de corros?o instant?nea e corrente galv?nica. De acordo com os resultados obtidos comprovou-se que o carbonato de c?lcio e o sulfeto de ferro est?o envolvidos em um processo corrosivo mais lento em fun??o do aumento do pH do meio. No entanto, o quartzo e a magnetita em virtude da sua dureza aceleram a corros?o pela quebra da camada passiva por eros?o. Por outro lado, o inibidor avaliado foi eficaz (91 %) em uma concentra??o de 50 ppm no processo avaliado

Dans le cadre du procédé de revêtement de surface Cold Spray, un modèle numérique d’impact de particule sur substrat à haute vitesse est créé, ainsi qu’une nouvelle interaction adhésive, dans le logiciel de dynamique explicite du CEA Europlexus. Le modèle utilise des Éléments Finis et la méthode sans maillage SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) avec la loi matériau de Johnson-Cook, couramment utilisée pour modéliser les métaux à des vitesses de déformation élevées et prenant en compte le durcissement plastique, le durcissement en vitesse de déformation, et l’assouplissement thermique. L’interaction adhésive est basée sur les modèles de zone cohésive de Dugdale-Barenblatt et Griffith, avec une limite sur la contrainte cohésive et la rupture de l’adhésion dictée par l’énergie dissipée. L’étude de cette interaction dans le cas des corps déformables à haute vitesse de déformation montre que le type de modèle cohésif utilisé impacte directement et de façon très prononcée les résultats du calcul. L’interaction adhésive est ensuite liée à un mécanisme physique connu pour être la raison majeure de l’adhésion entre métaux lors du procédé Cold Spray : l’instabilité en cisaillement à l’interface de contact (présente dans la simulation grâce à une loi d’endommagement). Pour ce faire, un critère d’activation de l’adhésion est créé, basé sur une chute de la valeur locale de limite élastique du matériau. Ce critère permet de retrouver le phénomène de vitesse critique nécessaire pour l’adhésion de la particule lors du procédé. Un critère de rupture de l’adhésion supplémentaire est ajouté, basé sur la valeur de l’endommagement dans les éléments collés, et permet de retrouver le phénomène de vitesse maximale pour l’adhésion de la particule. Le modèle complet, construit sur des principes physiques, est ainsi capable de simuler le phénomène d’adhésion Cold Spray. Des tests de dureté et images EBSD sont aussi présentés et comparés aux résultats numériques. / In the context of the Cold Spray process, a numerical model of a single particle impact is developed. The point of interest is the adhesion of the particle to the substrate, thus an adhesive interaction model is also created. The impact model uses the Smooth Particle Hydrodynamics and/or the Finite Elements methods, with a Johnson-Cook material law, commonly used for metals at high strain rates, which takes into account strain hardening, strain rate hardening and thermal softening. The adhesive interaction is a Griffith and Dugdale-Barenblatt cohesive model with energy dissipation and a limit on the cohesive stress. Using this model it is shown that in the case of fast dynamics and deformable bodies, not only the adhesion parameters but also the type of model has an influence on the results. The adhesion model is also, contrary to previous works, linked with an actual physical mechanism known to induce adhesion in Cold Spray: a shear stress instability at the interface. This is done by adding an activation criterion to the cohesive model. This criterion is defined as a local drop in yield strength on either element in contact. Only when this criterion is locally met are the cohesive stresses applied and cohesive energy dissipated. The result is the apparition of a critical velocity, under which adhesion cannot occur due to either not enough initial kinetic energy to create an instability at the interface, or not enough adhesive surface created to keep the particle from rebounding. For the model to localize and undergo shear banding/shear instability, a damage value is added to the material law. An erosion criterion is then implemented in the cohesive model to remove the cohesive stresses from highly damaged parts of the adhesive surface. This results at high impact speeds in a maximal velocity above which the interfacial material is too damaged to sustain adhesion and prevent the particle from rebounding. A deposition behavior similar to the Cold Spray process is then observed, with a range of low velocities without any adhesion of the particle, then a critical speed initiating a velocity range of adhesion of the particle, and finally a maximum speed above which the interface is too damaged to sustain the adhesion. A set of experimental observations is also carried out to better understand the actual microstructural dynamics and changes at the interface of 1 mm copper particles impacted on copper. The results are compared to simulations and the use of the macroscopic Johnson-Cook law at a microscopic level is validated.

L’érosion éolienne est un phénomène complexe avec des interactions entre la couche limite atmosphérique, le transport des particules et la déformation des dunes. Dans cette thèse des simulations numériques de transport de particules solides sur des dunes fixes ou déformables sont effectuées. L’écoulement turbulent est calculé par des simulations des grandes échelles (LES) couplée avec une méthode de frontières immergées. Les particules solides sont tractées par une approche Lagrangienne. L’entraînement des particules, leur interaction avec la surface et leur dépôt sont pris en compte par des modèles physiques complets d’érosion. D’un point de vue numérique, une méthode de frontières immergées a été introduite pour simuler les écoulements turbulents sur des frontières mouvantes. Le nouveau solveur a été validé en effectuant des comparaison avec les résultats expérimentaux de Simoens et al. (2015) dans le cas d’une colline Gaussienne. D’un point de vue physique, des modèles complets ont été développés pour l’érosion éolienne en se basant sur les forces agissant sur les particules. Des modèles instantanés pour l’envol, le roulement et le glissement des particules sont développés pour initier le mouvement des particules. Leur rebond et le splash sont également pris en compte. Des équations Lagrangiennes sont utilisées pour simuler la trajectoire des particules solides dans l’air. Une équation de transport d’un lit de particules a également été développée pour les cas de glissement et de roulement des particules sur la surface. La déformation de la dune est effectuée en faisant le bilan des particules qui s’envolent et se déposent. Ces modèles ont été validés en comparant les résultats de simulation avec les résultats expérimentaux de Simoens et al. (2015) sur les profils de concentration autour d’une colline Gaussienne. Enfin, des simulations numériques d’une dune sinusoïdale déformable sont effectuées. La forme de la dune simulée est comparée avec les résultats expérimentaux de Ferreira and Fino (2012). Un bon agrément est obtenu a t = 2.0 min, par contre la hauteur de la dune est sous-estimée entre 4.0 min et 6.0 min. Les résultats numériques montrent que la zone de recirculation diminue progressivement quand la dune se déforme. L’érosion, due à l’envol et au splash, est important a l’avant de la dune tandis que les particules se déposent a l’arrière de la dune. Le modèle de splash a été modifié pour prendre en compte l’effet de la pente, ce qui a permis une meilleure estimation de la hauteur de la dune a t = 4.0 min. / Wind erosion is a complex dynamic process consisting in an atmospheric boundary layer, aeolian particle transport, sand dune deformation and their intricate interactions. This thesis undertakes this problems by conducting three-dimensional numerical simulations of solid particle transport over a fixed or deformable sand dune. Turbulent flow is calculated by a developed numerical solver (Large-eddy simulation (LES) coupled with immersed boundary method (IBM)). Solid particle trajectories are tracked by a Lagrangian approach. Particle entrainment, particle-surface interactions and particle deposition are taken into account by physical comprehensive wind erosion models. Firstly, a new numerical solver has been developed to simulate turbulent flows over moving boundaries by introducing the IBM into LES. Two canonical simulation cases of a turbulent boundary layer flow over a Gaussian dune and over a sinusoidal dune are performed to examine the accuracy of the developed solver. Recirculation region characteristics, mean streamwise velocity profiles, Reynolds stress profiles as well as the friction velocity over the dune are presented. In the Gaussian case, a good agreement between experimental data and simulated results demonstrates the numerical ability of the improved solver. In the sinusoidal case, the developed solver with wall modeling over the immersed boundary shows a better performance than the pure one, when a relatively coarse grid is used. Secondly, physical comprehensive modeling of wind erosion is described in detail, based on the forces acting an individual particle. An instantaneous entrainment model for both lifting and rolling-sliding modes is proposed to initialize particle incipient motions. Lagrangian governing equations of aeolian particle motion are presented and used to simulate the trajectories of solid particles. Particularly, Lagrangian governing equations of bed-load particle motion are originally deduced and applied to model the particle rolling-sliding movement on the bed surface. In addition, particle-surface interactions are taken into account by probabilistic rebound/splash models. Thirdly, numerical simulations of particle transport over a fixed Gaussian dune and over a deformable sinusoidal dune are carried out. In the fixed Gaussian case, an overall good agreement on the particle concentration profiles over the dune between the simulated results and the experimental data of Simoens et al. (2015) preliminarily validates the ability and accuracy of the developed numerical solver coupled with physical comprehensive wind erosion models. In the deformable sinusoidal case, the simulated dune shapes are compared with the experimental ones of Ferreira and Fino (2012). A good agreement between them is observed at t = 2.0 min and an obvious underestimate of the dune shape is shown at t = 4.0 min and t = 6.0 min. By analyzing the simulated results, it is shown that the recirculation zone behind the dune is gradually reduced as the dune deforms and that windward erosion and lee side deposition is observed. It is also shown after testing that the splash entrainment is important for the lee side erosion. Moreover, a preliminary attempt is presented to apply an improved splash model with accounting for the bed slope effect to the simulation of sand dune deformation. A better performance on the simulated dune shape is achieved at t = 4.0 min in comparison with the experimental one.