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

Florence Bergeron

Master's thesis (2019)

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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 inturbine 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 oxidationat 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 halogeneffect. 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 intoaluminum 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 sputteredcoatings 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 coatingcomposition 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 ofunprotected TiAl. The oxidation kinetics are slowed while the oxidation activation energy is increased. An alumina scale is growing on protected TiAl.

Résumé

Les aluminures de titane (TiAl) ont récemment été introduits dans la confection de lames de turbine basse-pression chez certains fournisseurs de réacteurs d'avion. Leur force et leur module d'Young spécifiques se comparent à ceux des alliages de nickel présentement utilisésen industrie, mais leur faible densité permet de réduire le poids des lames et des pièces les soutenant. Une telle réduction du poids des moteurs mène à des économies de carburant intéressantes, qui se traduisent ultimement par la réduction des coûts d'opération et des émissions polluantes. Il est cependant difficile d'utiliser le TiAl dans des étages des moteurs autres que les turbines basse-pression, où les températures sont somme toute basses, puisque qu'il s'oxyde rapidement lorsqu'exposé à des températures supérieures à 750 �C. L'objectif du projet présenté dans ce mémoire est de prévenir l'oxydation à haute température du TiAl en utilisant des revêtements pulvérisés fluorés. La présence de fluor dans les revêtements permet l'utilisation de l'effet halogène, un moyen efficace de protéger le TiAl contre l'oxydation. En effet, lorsqu'exposé aux hautes températures d'opération, il y a formation de fluorures d'aluminium sous l'interface du TiAl, suivie de leur diffusion jusqu'à la surface et de leur oxydation, ce qui crée une couche protectriced'oxyde d'aluminium. Cet oxyde est reconnu pour son imperméabilité à l'oxygène, ce qui permet de protéger le TiAl de l'oxydation future. Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur la production de revêtements fluoréesd'oxy-fluorure d'aluminium par pulvérisation magnétron réactive dans une atmosphère de CF4 et de O2. La chimie du plasma réactif est monitorée par spectrométrie de masse. Lapuissance de pulvérisation et l'apport en oxygène dans le plasma réactif sont variés pour comprendre leurs effets sur la composition chimique du plasma. La composition des revêtements d'AlOF est ensuite à son tour mesurée, à l'aide de la spectroscopie de rétrodiffusion de Rutherford. Les relations entre cette composition et celle du plasma réactif sont ainsi établies. Finalement, différents revêtements d'AlOF à la composition connue sont oxydéspour déterminer leur capacité à protéger le TiAl. Pendant ces tests d'oxydation, les échantillons sont pesés pour monitorer leur prise de masse. Des tests d'oxydation sont effectués à différentes températures, pour caractériser leur cinétique d'oxydation. Ces travaux démontrent que les revêtements d'AlOF protègent efficacement le TiAl contrel'oxydation à haute température. Les prises de masses sont faibles (sous 0.5 mg cm−2 après 50 h d'oxydation à 875 �C) et les taux d'oxydations sont amoindris par la présenced'AlOF.
Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Ludvik Martinu, Jolanta-Ewa Sapieha
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/3849/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 03 Nov 2020 14:28
Last Modified: 08 Nov 2022 20:18
Cite in APA 7: Bergeron, F. (2019). High-Temperature Oxidation Protection of y-Based TiAl by Sputtered AlOF Films [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/3849/

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