Research and design of a high temperature solid particle erosion testing rig

Solid Particle Erosion (SPE) is a critical degradation mechanism in the aerospace industry, where components are exposed to high-velocity particle impacts, sometimes under severe thermal conditions. Current laboratory-scale testing methods are limited in their ability to reproduce such extreme environments, undermining the efficiency of the coating development process in the research and development environment. This thesis addresses this gap through the research and design of a new high-temperature SPE testing rig. The work begins with an in-depth study of the erosion phenomenon and a review of the existing industrial and laboratory testing capabilities, highlighting the limitations of current rigs with respect to the requirements imposed for this project. Based on these findings, a new rig concept was developed, taking great inspiration from the simplicity and effectiveness of the testing style regulated by the GE E50TF121 specification, and including the capability of achieving high temperatures. The design process involved an extensive CFD simulations campaign to analyze flow behavior, particle velocity, and thermal effects, providing the means for controlling the future machine, ensuring predictable and repeatable testing conditions. The resulting preliminary three-dimensional model of the full machine, which was eventually developed, sets the starting point for its future production process. The resulting apparatus represents a significant improvement in SPE testing capabilities, enabling the execution of high-temperature experiments that aim at replicating more accurately the real operating environments of the coatings being studied. This platform not only unlocks a new area of lab-scale development, but also provides a valuable tool for material selection, process evaluation, and performance benchmarking.

L'erosione da particelle solide (Solid Particle Erosion) rappresenta un importante meccanismo di degrado dei materiali, specialmente importante nell'industria aeronautica, dove vari componenti sono spesso esposti all'impatto di particelle ad alta velocità, talvolta in condizioni termiche estreme. Le attuali capacità di prova in laboratorio non permettono la riproduzione di tali ambienti ad elevata temperatura, risultando quindi limitanti nei confronti dei processi di ricerca e sviluppo di nuove soluzioni di rivestimento superficiale. Questo lavoro di tesi affronta il problema proponendo un nuovo macchinario per effettuare test ad erosione ad alta temperatura. Il lavoro proposto inizia con una revisione della letteratura disponibile, riguardante sia il fenomeno di erosione in generale che il caso specifico dell'industria aeronautica. Successivamente, una ricerca delle attuali capacità di test di altre industrie o istituti ha mostrato la carenza di una soluzione adatta a soddisfare i requisiti imposti per questo lavoro. Sulla base di queste considerazioni, un nuovo progetto per un macchinario è stato sviluppato, ispirandosi alla semplicità ed efficacia della normativa GE E50TF121, ma includendo la capacità di effettuare test ad alte temperature. La fase di progettazione è partita da un'estesa campagna di simulazioni CFD necessaria a caratterizzare il comportamento del macchinario quando si introduce la variabile temperatura. In seguito, un modello 3D preliminare del macchinario intero è stato realizzato, determinando le basi per il futuro processo di realizzazione della macchina. Il risultato mostrato al termine di questo lavoro rappresenta un importante miglioramento nelle capacità di test ad erosione, permettendo l'esecuzione di esperimenti ad alta temperatura in grado di replicare in maniera più accurata le reali condizioni di lavoro dei rivestimenti studiati.