High-Temperature Oxidation Protection of y-Based TiAl by Sputtered AlOF Films

Les aluminures de titane (TiAl) ont recemment ete introduits dans la confection de lames de turbine basse-pression chez certains fournisseurs de reacteurs d’avion. Leur force et leur module d’Young specifiques se comparent a ceux des alliages de nickel presentement utilises en industrie, mais leur faible densite permet de reduire le poids des lames et des pieces les soutenant. Une telle reduction du poids des moteurs mene a des economies de carburant interessantes, qui se traduisent ultimement par la reduction des couts d’operation et des emissions polluantes. Il est cependant difficile d’utiliser le TiAl dans des etages des moteurs autres que les turbines basse-pression, ou les temperatures sont somme toute basses, puisque qu’il s’oxyde rapidement lorsqu’expose a des temperatures superieures a 750 �C. L’objectif du projet presente dans ce memoire est de prevenir l’oxydation a haute temperature du TiAl en utilisant des revetements pulverises fluores. La presence de fluor dans les revetements permet l’utilisation de l’effet halogene, un moyen efficace de proteger le TiAl contre l’oxydation. En effet, lorsqu’expose aux hautes temperatures d’operation, il y a formation de fluorures d’aluminium sous l’interface du TiAl, suivie de leur diffusion jusqu’a la surface et de leur oxydation, ce qui cree une couche protectrice d’oxyde d’aluminium. Cet oxyde est reconnu pour son impermeabilite a l’oxygene, ce qui permet de proteger le TiAl de l’oxydation future. Les travaux presentes dans ce memoire portent sur la production de revetements fluorees d’oxy-fluorure d’aluminium par pulverisation magnetron reactive dans une atmosphere de CF4 et de O2. La chimie du plasma reactif est monitoree par spectrometrie de masse. La puissance de pulverisation et l’apport en oxygene dans le plasma reactif sont varies pour comprendre leurs effets sur la composition chimique du plasma. La composition des revetements d’AlOF est ensuite a son tour mesuree, a l’aide de la spectroscopie de retrodiffusion de Rutherford. Les relations entre cette composition et celle du plasma reactif sont ainsi etablies. Finalement, differents revetements d’AlOF a la composition connue sont oxydes pour determiner leur capacite a proteger le TiAl. Pendant ces tests d’oxydation, les echantillons sont peses pour monitorer leur prise de masse. Des tests d’oxydation sont effectues a differentes temperatures, pour caracteriser leur cinetique d’oxydation. Ces travaux demontrent que les revetements d’AlOF protegent efficacement le TiAl contre l’oxydation a haute temperature. Les prises de masses sont faibles (sous 0.5 mg cm−2 apres 50 h d’oxydation a 875 �C) et les taux d’oxydations sont amoindris par la presence d’AlOF.----------Abstract Titanium aluminides are intermetallic compounds of great interest to the automotive and aerospace industries. Indeed, being low-density alloys with high strength, their specific mechanical properties like specific strength or specific elastic modulus make them suitable for applications that were until now dominated by Ni-bases alloys. The introduction of TiAl in turbine and compressor blades instead of other heavy alloys contribute to the weight reduction effort made by engine designers, to optimize the thrust-to-weight ratio of their aircraft. Large-scale implementation of TiAl in airplane engines is however limited by its severe oxidation at temperatures higher then 750 �C. The goal of the present work is to protect TiAl against such oxidation through the combined use of sputtered thin films and the halogen effect. The halogen effect requires that a halogen, in this case, fluorine, is applied to the surface of TiAl to promote the formation of gaseous aluminum fluorides. These fluorides migrate to the surface of the TiAl during high-temperature oxidation, where they are oxidized into aluminum oxide, a dense, protective and durable oxidation barrier. The detrimental oxidation of the TiAl is then blocked. This works reports on the deposition of aluminum oxy-fluoride coatings by reactive magnetron sputtering. The sputtering process is monitored by mass spectrometry, to gain insight into the gas phase chemistry of the reactive plasma. The chemical composition of the sputtered coatings is then measured by Rutherford backscattering spectrometry, and a relationship between the composition of the coatings and the composition of the plasma is established. Finally, AlOF coatings of different compositions are oxidized, to determine which coating composition offers the best oxidation protection. Mass gains are measured throughout the isothermal oxidation tests, which were performed at different temperatures to study the oxidation kinetics of the AlOF coatings. Samples’ surface and cross sections were observed before and after oxidation by scanning electron microscopy and energy dispersive x-ray spectroscopy. t was found that the coatings efficiently protect the TiAl against high-temperature oxidation. The mass gains of coated samples are significantly reduced in comparison to those of unprotected TiAl. The oxidation kinetics are slowed while the oxidation activation energy is increased. An alumina scale is growing on protected TiAl.