Effect of Growth Conditions and Surface Treatment on the Performance of Protective Coatings on Aircraft Engine Components

Dans l'industrie aérospatiale, de nombreuses formes de défaillance des matériaux, dues à des dommages causés par des sollicitations externes et à la fatigue des structures, peuvent entraîner des événements catastrophiques s'ils ne sont pas détectés à temps. Les composantes se déplaçant à grande vitesse sont particulièrement sujettes à la fissuration car elles sont exposées à des environnements difficiles et à des contraintes élevées. Tout au long de la durée de vie d'un avion, la probabilité de formation et de propagation de fissures causées par des dommages matériels augmente, ce qui représente des défis importants pour le développement et la performance en service des moteurs. Le sujet de cette thèse de doctorat a été proposé en réponse aux besoins de l'industrie aérospatiale pour mieux comprendre l'initiation et la propagation des fissures ainsi que les mécanismes de dégradation, notamment l'érosion, l'usure et la fatigue, pour retarder la défaillance fatale des composants situés à l'intérieur d'un moteur à réaction. Ce travail se concentre sur l'étude du matériau Ti-6Al-4V revêtu en raison de son utilisation répandue dans certaines des composantes de moteur les plus critiques, généralement dans les pièces de stator et de rotor. Les procédés d'ingénierie de surface devraient envisager des revêtements de protection avec des propriétés tribo-mécaniques "idéales" et des procédés pour contrôler les contraintes résiduelles (RS). À cet égard, la finition de surface des revêtements et des substrats est essentielle, car la défaillance des fissures débute généralement à la surface des composantes. Les revêtements en céramique sont devenus la solution la plus fréquemment recherchée pour la protection du moteur à réaction. L'architecture du revêtement et la ténacité qui en découle ont été reconnues comme des facteurs clés, notamment pour la résistance à l'érosion par particules solides et à l'usure. Les revêtements de protection ont été abordés dans la littérature disponible, comme en témoignent les nombreuses contributions de notre propre laboratoire. Il a été clairement conclu que la manière la plus importante de faire progresser ce domaine est de mieux comprendre et d'adapter les RS qui, si elles sont bien contrôlées, peuvent atténuer la détérioration des surfaces et la sollicitation extérieure.

Abstract

In the aerospace industry, many forms of material failure due to foreign object damage and fatigue of structures may lead to catastrophic events if they are not detected in time. Components moving at high speeds are particularly subject to cracking since they are exposed to harsh environments and to high stress levels. Through aircraft's lifetime, there is an increased likelihood of crack formation and propagation caused by material's damage, which represent significant challenges for engine development and in-service performance. The subject of this Ph.D. thesis has been proposed as a response to the needs of the aerospace industry to gain a better understanding of crack initiation, crack propagation and of the degradation mechanisms, especially erosion, wear and fatigue, to retard fatal failure on components located within a jet engine. This work focuses on a study of coated Ti-6Al-4V material due to its wide use on some of the most critical engine components, typically in stator and rotor parts. Surface engineering processes should consider protective coatings with ‘ideal' tribo-mechanical properties and processes to tailor residual stress (RS). In this respect, surface finishing of coatings and substrates is vital since crack failure normally originates at the component's surface. Ceramic coatings have become the most frequently sought solution for the protection of the jet engine. Coating architecture and the related toughness have been recognized as key factors, particularly for the solid particle erosion and wear resistance. Protective coatings have been covered in the available literature as documented by numerous contributions from our own laboratory. It has been clearly concluded that the most important way to advance this field is to better understand and tailor RS that, if well controlled, can mitigate surface deterioration and external solicitation. In response, this thesis focuses on the investigation of protective coatings in the form of single layers and multilayers, with different RS values and RS depth profiles in relation to the mechanical performance. In the first part of this work, we studied single layer TiN coatings, reactively sputtered onto Ti-6Al-4V substrates, while assessing the effect of three interface engineering approaches: a) Argon plasma treatment, b) plasma surface nitriding, and c) Titanium sub-plantation. Each interface modified the microstructure and texture of both, coating and substrate. Consequently, the mechanical and tribo-mechanical properties show significant variation.