High temperature oxygen barrier to preserve titanium alloys used in aeronautics made by laser texturation and Sol-Gel coatings(Rev-Ox-Tin)

Abstract

L'industrie aéronautique contribue depuis des décennies à la réduction des émissions polluantes et en particulier à la décarbonation des aéronefs. Pour y parvenir, plusieurs approches complémentaires sont envisagées afin de respecter l'objectif de zéro émission de carbone équivalent CO2 à l'horizon 2050, fixé par les accords de Paris de la COP21. L'une d'entre elles consiste à améliorer les performances des turboréacteurs, ayant pour conséquence l'augmentation de leur température de fonctionnement. Cette optimisation possède plusieurs effets bénéfiques : une amélioration du rendement de compression, une réduction de la formation des sous-espèces toxiques (CO2, NOx, suies…), ainsi qu'une augmentation du rapport poussée/masse, permettant de réduire globalement la consommation de carburant. Cependant, les pièces en alliage de titane dans le réacteur actuellement utilisées ne peuvent pas supporter cette augmentation de températures d'une centaine de degrés. Il est donc essentiel de les protéger afin de limiter le phénomène oxydation à chaud. En effet, la diffusion de l'oxygène dans ces alliages est facilitée à hautes températures, ce qui entraine une dégradation significative de leurs propriétés mécaniques macroscopiques, compromettant leur tenue en fatigue. Cette diminution des propriétés mécaniques provient de la mise en solution solide de l'oxygène dans la structure cristalline du titane à chaud (14,3%w. dans la phase α), appelé α-case, d'une part et d'autre part, la réaction en surface de l'alliage avec l'oxygène faisant croitre la couche d'oxyde native, extrêmement fragile, qui engendre des zones de délamination en fonctionnement.L'objectif de ces travaux de thèse est de développer des revêtements fonctionnels capables de limiter l'oxydation à chaud des pièces en Ti6242, tout en prolongeant leur durée de vie en service. Pour atteindre cet objectif, trois axes de recherches sont abordés et décrits dans ce mémoire : l'élaboration de nouveaux revêtements d'oxydes mixte à base d'aluminate d'yttrium, l'étude de la préparation de surface des substrats et la détermination des performances cibles des dits revêtements.Le premier axe concerne la conception et la synthèse de sols d'oxyde mixte par voie Sol-Gel à partir de précurseurs d'aluminium et d'yttrium, suivie de la caractérisation approfondie du système (RMN multi-noyaux, analyses chimiques et thermiques, viscosité) et de l'application des sols sur un substrat de titane Ti6242.Le deuxième axe porte sur l'étude et la détermination des paramètres optimaux de préparation de surface du substrat afin d'obtenir un revêtement homogène, recouvrant et présentant une bonne adhérence au substrat. A côté des préparations de surface plus conventionnelles (chimique, mécanique, physique), une part de l'étude est dédiée à la structuration de surface au moyen d'un laser femtoseconde, préparation de surface originale pour ce type d'application. L‘influence des différentes préparations de surface sur la fissuration et l'adhérence des films est alors reliée à des caractéristiques surfaciques du substrat comme sa rugosité, sa chimie de surface ou sa mouillabilité.Enfin, le dernier axe se concentre sur la caractérisation physico-chimique des revêtements et l'évaluation de leurs performances, en particulier leur résistance à l'oxydation (prise de masse, mesures de coefficient d'expansion thermique, XPS, nano-indentation).Ces travaux ont conduit à la préparation de nouveaux revêtements pour la diminution de la diffusion de l'oxygène à chaud dans les alliages de Ti6242 .The aeronautics industry has been for decades to reduce pollutant emissions and, in particular, to decarbonise aircraft. To achieve this and to meet the target of zero carbon equivalent emissions (CO2 eq) by 2050, as set out in the Paris Agreement at COP21, several complementary approaches are being considered. One of them is to improve the performance of turbojet engines by increasing their operating temperature. This optimisation has several significant advantages: improved compression efficiency, reduced generation of toxic subspecies (CO2, NOx, soot, etc.), as well as an increased thrust-to-mass ratio, which helps to reduce the overall fuel consumption.However, the titanium alloy components currently used in the engine cannot withstand this temperature increase of several hundred degrees. It is therefore essential to protect them in order to limit the phenomenon of high-temperature oxidation. In fact, under these conditions, oxygen diffusion is facilitated in these alloys, leading to a significant deterioration in their macroscopic mechanical properties, which affects their fatigue life. This reduction in mechanical properties is due to two phenomena : the solid solution of oxygen into the crystalline structure of titanium (14.3%w. in the α-phase), known as the α-case, and the surface reaction of the alloy with oxygen, which leads to the growth of a brittle native oxide layer, that creates delamination zones during service.The aim of this thesis is to develop functional coatings capable of limiting the high temperature oxidation of Ti6242 components whilst extending their service lifetime. To achieve this objective, three areas of research are addressed and described: the development of new mixed oxide coatings based on aluminium and yttrium, the surface preparation of the substrate and the determination of the target performance of these coatings.The first axis concerns the design and the synthesis of mixed oxide based sols by Sol-Gel chemistry from aluminium and yttrium precursors, followed by in-depth characterisation of the systems (e.g. NMR, thermal analyses, viscosity, XPS) and finally, the application of these sols as coatings on Ti6242 titanium substrate.The second axis concerns the study and determination of the optimal parameters for substrate surface preparation in order to obtain a uniform, recoverable and well-adhering coating. In addition to conventional surface preparation methods (chemical, mechanical, physical), special emphasis is given to femtosecond laser texturing, an original surface preparation for this type of application. The influence of different surface preparation methods on film cracking and adhesion is described, and these aspects are linked to the substrate surface characterisation of the substrate by surface chemistry or wettability. Substrate surface characterisation is carried out through surface chemistry analysis and topography assessment. This section highlights the correlation between reduced film cracking and surface preparation parameters.Finally, the last axis focuses on the physico-chemical characterisation of coatings and the evaluation of their performance, mainly their oxidation resistance, using dedicated techniques (e.g. mass gain, thermal expansion coefficient measurements, XPS, nanoindentation).This work has led to the development of new protective coatings that prevent high temperature oxidation. These studies have improved the understanding of the overall substrate/mixed oxide coating system, which will benefit future research