Nuovi modelli per la previsione del deterioramento delle superleghe monocristalline
In fase operativa, le pale delle turbine a gas vengono sottoposte a temperature e sollecitazioni estremamente elevate. I meccanismi di deterioramento sono particolarmente difficili da studiare a causa della loro complessità e del loro alto grado di correlazione. Ad esempio, il consumo energetico richiesto in fase di accensione, arresto e cambio di potenza potrebbe comportare deformazioni permanenti e fatica, con effetti di rottura indesiderati. Per prevenire più efficacemente i guasti, è necessario ricorrere a materiali, rivestimenti e sistemi di raffreddamento avanzati e/o ad una combinazione di essi. Nell'abito delle attuali applicazioni industriali, per le pale delle moderne turbine a gas vengono utilizzate superleghe a base di nickel monocristallino, le quali permettono di aumentare la temperatura di ammissione della turbina, riducendo il consumo di combustibile del blocco di alimentazione. Rivestiti in TBC, questi avanzati materiali sono in grado di aumentare notevolmente l'efficienza termodinamica delle pale. Ciononostante, le rotture sembrano inevitabili, poiché ad esse concorrono anche altri effetti indesiderati, fra cui il danneggiamento del substrato, l'ossidazione e la degradazione del TBC. Al fine di risolvere tali problemi, nell'ambito del presente progetto sono stati analizzati i meccanismi di danneggiamento delle superleghe a base di nickel monocristallino con o senza rivestimento. Concentrandosi sulla microstruttura di questi materiali, i ricercatori sono riusciti a modellizzare il danno provocato sia dalla fatica che dalla degradazione del TBC. I modelli su micro-, meso- e macroscala realizzati sono stati impiegati per lo sviluppo di strumenti di valutazione in grado di prevedere la durata di vita delle pale per turbine. Nello specifico, tali modelli si basano sulla microstruttura dei precipitati, i difetti di fusione e le proprietà protettive del TBC. Inoltre, sulla base di un'analisi strutturale, è stata effettuata la convalida di svariati strumenti di valutazione della durata di vita dei componenti. La capacità di prevedere la durata di vita delle pale offerta dagli strumenti di valutazione sviluppati è destinata ad offrire numerosi vantaggi per i produttori e gli utilizzatori delle turbine a gas e potrebbe contribuire alla progettazione di pale più resistenti e affidabili, nonché alla precisa elaborazione di programmi di manutenzione più efficaci, volti a minimizzare i tempi d'inattività per guasti e a massimizzare la produttività degli impianti.
