Development and characterization of aluminides coatings against oxidation in Ti beta-21S alloy by Pack Cementation process

Novas demandas de aplicação tem sido a principal motivação para a produção de materiais estruturais associando boas propriedades mecânicas e baixo custo de fabricação. A indústria aeroespacial vem desenvolvendo estudos com titânio e suas ligas, devido, a sua elevada resistência mecânica e baixa massa específica. Alguns estudos afirmam que, em temperaturas acima de 500°C as ligas de titânio possuem baixa resistência à oxidação restringindo a sua aplicabilidade. Localizada na parte inferior das turbinas em aviões comerciais, a liga Ti ?-21S tem mostrado bom desempenho em até 700°C com grande potencial para substituir alguns componentes, diminuindo os gastos com manutenção e aumentando a autonomia das turbinas a gás. Diante desse cenário, o objetivo deste trabalho foi desenvolvimento de revestimentos visando o aumento da resistência a oxidação na liga Ti ?-21S mantendo as suas características iniciais. O processo de revestimento foi feito em diferentes condições de temperatura × tempo via HAPC (CVD in situ). A faixa de temperatura analisada foi de 560 à 760°C entre 1 à 25h. A microestrutura de todos os coupons (não revestidos, revestidos e oxidados) foram caracterizados por difração de raios X (DRX) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). A cinética de crescimento aparente da camada de revestimento foi feita medindo a espessura de revestimento nas condições analisadas e a cinética de oxidação foi feita através da variação de massa superficial dos coupons. Os resultados do DRX e MEV mostraram que os revestimentos produzidos foram monofásicos com composição química TiAl3. A cinética de crescimento entre 660 à 760°C apresentou energia de ativação de 108 kJ/mol e constante pré-exponencial de 1,21 × 10-3 cm²/s, esses resultados sugerem que a cinética de crescimento é controlada pela difusão dos átomos de alumínio no volume da liga Ti ?-21S formando a camada de TiAl3. Os coupons revestidos foram oxidados à 750 e 850°C por 100, 200 e 300h, os resultados da caracterização microestrutural mostrou que nos coupons revestidos foi formada uma camada de Al2O3 e a variação de massa superficial após 300h à 850°C foi de 0,60 mg/cm². Portanto, após a oxidação dos coupons revestidos, foi observado que o revestimento promoveu a formação de óxidos protetores como Al2O3 aumentando a resistência a oxidação da liga Ti ?-21S revestida.New application demands have been the main motivation for the production of structural materials associating good mechanical properties and low manufacturing cost. The aerospace industry has been developing studies with titanium and its alloys, due to its high mechanical strength and low specific mass. Some studies report that, at temperatures above 500°C, titanium alloys have low oxidation resistance, restricting their applicability. Located at the bottom of turbines in commercial aircraft, the Ti ?-21S alloy has shown good performance up to 700°C with great potential to replace some components, reducing maintenance costs and increasing the autonomy of gas turbines. In view of this scenario, the objective of this work was the development of coatings aiming at increasing the resistance to oxidation in the Ti ?-21S alloy while maintaining its initial characteristics. The coating process was done at different temperature × time conditions via Pack Cementation (CVD in situ). The temperature range analyzed was 560 - 760°C between 1 - 25h. The microstructure of all coupons (uncoated, coated and oxidized) were characterized by XRD and SEM. The kinetics of apparent growth of the coating layer were made by measuring the coating thickness under the analyzed conditions and the oxidation kinetics was done by varying the surface mass of the coupons. The results of the DRX and MEV showed that the coatings produced were monophasic with TiAl3 chemical composition. The kinetics of growth between 660 - 760°C showed activation energy of 108 kJ/mol and pre-exponential constant of 1.21 × 10-3 cm²/s, these results suggest that the kinetics of growth is controlled by the diffusion of atoms of aluminum in the volume of the Ti ?-21S alloy forming the TiAl3 layer. The coated coupons were oxidized at 750 and 850°C for 100, 200 and 300h, the results of the microstructural characterization showed that in the coated coupons an Al2O3 layer was formed and the surface mass variation after 300h at 850°C was 0.60 mg/cm². Therefore, after oxidation of the coated coupons, it was observed that the coating promoted the formation of protective oxides like Al2O3 increasing the oxidation resistance of the coated Ti ?-21S alloy