Effect of Si and Si-Pt Reservoirs on the Growth of Multilayer Coatings for the Oxidation Protection of γ-TiAl Turbine Blades

Les performances des moteurs d'avion et leur fonctionnement dans des environnements particulièrement difficiles ont posé un défi constant pour le choix des matériaux appropriés et de leurs caractéristiques. En outre, avec les progrès récents en termes de consommation spécifique de carburant (SFC) et de réduction des émissions de CO2, la nécessité d'augmenter les températures d'admission (6 C-9 C/an) pour obtenir des rendements plus élevés des moteurs et réduire le poids des composants rotatifs a considérablement augmenté. Dans ce contexte, la pertinence de matériaux plus légers avec une performance optimale (haute résistance à l'oxydation et résistance mécanique élevée) au-delà de 700 C a été élucidée, favorisant le remplacement des superalliages à base de nickel à haute densité actuellement utilisés dans les sections de moteurs à basse température. Dans la turbine à basse pression, des aubes de turbine plus légères en γ-TiAl ont déjà commencé à être utilisées depuis quelques années, en particulier dans les moteurs GEnx et CFM-LEAP. Des progrès importants dans l'optimisation des propriétés thermo-mécaniques de ces matériaux structurels (c'est-à-dire les alliages à base de Ni, Co et γ-TiAl) ont été réalisés avec l'approche métallurgique via la chimie des alliages. Cependant, l'amélioration de leurs propriétés et l'extension de leurs capacités, en particulier pour la protection des surfaces (spécifiquement la résistance à l'oxydation) nécessitent l'utilisation de revêtements protecteurs. La variété des revêtements de protection et des approches d'ingénierie de surface disponibles pour de nouveaux développements est très importante. Ils peuvent être distingués selon leur architecture (barrières thermiques de type revêtement multicouche ou de type revêtement à composition graduée), par la méthode de production (techniques chimiques ou physiques en phase vapeur, pression atmosphérique vs basse pression, techniques métallurgiques, etc.), ou la famille des principaux composés constitutifs (siliciures, aluminures, multi-composantes ((MCrAlY; M: métal), à base de Cr, etc.) Au-delà de la diversité des revêtements, tous ces systèmes nécessitent des améliorations continues pour mitiger la dégradation, la délamination ou des effets secondaires indésirables de nature chimique ou mécanique.

Abstract

The performance of jet engines and their operation in particularly harsh environments has been a constant challenge for choosing suitable materials and their characteristics. Additionally, with the recent advancements in terms of specific fuel consumption (SFC) and reduced CO2 emissions, the need for increased inlet temperatures (6 C-9 C/year) for achieving higher engine efficiencies and weight reduction in rotating components has significantly increased. In this context, the relevance of lighter materials with optimum performance (high oxidation resistance and elevated mechanical strength) beyond the 700 C has been elucidated, promoting the replacement of the currently used high-density Ni-based superalloys in the lower-temperature jet engine sections. In the low-pressure turbine, lighter -TiAl low-pressure turbine blades have already started to be implemented since a few years, specifically in the GEnx and CFM-LEAP engines. Important progress in optimization of the thermo-mechanical properties of these structural materials (i.e., Ni-based, Co-based, and γ-TiAl based alloys) has been attained with the metallurgical approach via alloy chemistry. However, further improvements in their properties and extended capabilities, specifically for surface protection (i.e., oxidation resistance) demand the use of protective coatings. The variety of protective coatings and surface engineering approaches available for further development is very significant. They can be distinguished according to their architecture (multilayer or graded composition, thermal barrier coatings), the method of production (chemical or physical vapor techniques, atmospheric pressure vs low pressure, metallurgical techniques etc.), or the family of main constituting compounds (silicides, aluminides, multi-components ((MCrAlY; M: metal), Cr-based, etc.). Beyond the diversity of coatings, all of these systems require continuous improvements to mitigate degradation, delamination, or secondary undesired effects of chemical or mechanical nature.