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Development of investment casting process of nickel superalloys with enhanced weldability.

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Miglioramenti della colata e della saldatura potrebbero evitare diverse fessure nelle turbine

Le turbine degli aeromobili sono soggette a un calore elevato e devono sopportare carichi pesanti. Nuovi materiali e tecnologie di produzione ne prolungheranno i cicli di vita, abbassandone i costi di manutenzione e migliorando il vantaggio competitivo europeo.

Tecnologie industriali

La riduzione dell’impatto ambientale, affiancata dal rafforzamento del livello di sicurezza e affidabilità, sono obiettivi fondamentali del partenariato comune pubblico-privato di Clean Sky 2 tra la Commissione europea e l’industria aeronautica europea. I dimostratori della tecnologia integrata nel motore del programma, che comprendono numerosi componenti innovativi in un intero gruppo motore, sono determinanti per raggiungere tali obiettivi. Le strutture della turbina sono soggette a grandi carichi strutturali e a temperature elevate. Il progetto HiperTURB, finanziato dall’UE, si prefiggeva di ridurre le modalità di guasto e prolungare la vita utile di tali strutture, contribuendo in modo olistico agli obiettivi di Clean Sky 2.

La scienza dei materiali e i parametri operativi uniscono le forze per vincere

Le strutture della turbina sono prodotte da superleghe saldabili a base di nichel. Le sottoparti sono colate in stampi (le leghe vengono fuse e versate, per poi essere raffreddate e solidificate) e saldate insieme per assemblare la forma finale. La colata, in particolare la solidificazione, comporta una predisposizione alla criccatura a causa della formazione di microstrutture grossolane e di segregazioni durante il raffreddamento. Ciò, a sua volta, si ripercuote sulla saldabilità. Fernando Santos Barrena, coordinatore del progetto HiperTURB presso il centro di ricerca AZTERLAN, spiega: «Il progetto HiperTURB aveva l’obiettivo di migliorare la saldabilità delle superleghe a base di nichel avvalendosi dei progressi compiuti nell’ambito delle tecnologie e dei processi di colata e saldatura. Abbiamo integrato questo lavoro con lo sviluppo di nuove leghe con proprietà migliorate. Gli strumenti di simulazione delle microstrutture hanno contribuito al nostro successo.» Iniziando dai materiali, è stata sviluppata IN718, una nuova variante di superlega a base di nichel con proprietà migliori riguardo alla «rottura sotto sforzo». Santos Barrena aggiunge: «Il nostro lavoro ha chiarito l’effetto di determinati elementi chimici su alcune proprietà meccaniche e, più in generale, quanto le caratteristiche di solidificazione di un componente possano essere determinanti per le successive attività di pre-elaborazione e per la saldabilità.» La lega innovativa potrebbe prolungare la vita utile dei componenti della turbina e ridurre le modalità di guasto. Il gruppo ha individuato il meccanismo cardine responsabile della generazione e della propagazione di fessure in componenti fusi durante il processo di saldatura, contribuendo all’ottimizzazione delle condizioni e dei parametri della saldatura al fine di ridurlo. Ciò dovrebbe diminuire i costi di riparazione e di ispezione per le aziende produttrici di motori e aumentare il ciclo di vita dei componenti del motore stesso. Un nuovo trattamento termico per regolare le differenze nei tassi di raffreddamento della solidificazione della colata dovrebbe garantire una saldatura omogenea e prestazioni a elevate temperature. Infine, il gruppo ha sviluppato un nuovo sistema di riparazione delle fessure che si rivela più rapido e più preciso.

Puntare in alto e invecchiare bene

Santos Barrena riassume: «HiperTURB ha approfondito la nostra comprensione delle microstrutture e ha chiarito la correlazione tra i processi di colata e di saldatura. Questo ci ha permesso di creare nuove leghe e di modificare le condizioni di colata e di saldatura per ridurre le cause profonde dei guasti dovuti alla presenza di fessure. Il risultato si tradurrà nella comparsa di componenti più sicuri e con una vita utile prolungata.» Sebbene in questa fase si possa solo stimarne l’impatto, i risultati ottenuti dal progetto HiperTURB potrebbero alleggerire il peso dei componenti di circa il 5 %, i costi di produzione del 10 % e i costi di manutenzione del 20 %. Fondamentalmente, si prevede che questi risultati prolungheranno di almeno il 30 % il ciclo di vita dei motori di velivoli ecocompatibili di nuova generazione, a vantaggio dei produttori di velivoli, dei viaggiatori e del pianeta.

Parole chiave

HiperTURB, colata, saldatura, turbina, superlega a base di nichel, Clean Sky 2

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