Progressi nel miglioramento della sicurezza e delle economie operative delle turbine a gas
Le prestazioni delle turbine a gas avanzate, predominanti come fonti d'energia per il trasporto aereo e marittimo, oltre che per la generazione d'elettricità, possono essere considerevolmente incrementate dall'applicazione di temperature di gas più alte. L'impiego di barriere termiche (TBC) nei componenti critici delle turbine in superlega rende possibile tale incremento proteggendoli dalla fatica termomeccanica e dall'ossidazione. Le barriere termiche hanno un isolamento di spessore sufficiente e una durata tali da reggere ad una differenza termica sufficiente tra il sostrato in superlega degli elementi portanti e il top coat di ceramica. Nell'ambito del progetto HIPERCOAT, gli scienziati dell'università di Santa Barbara, in California, si sono concentrati sulle instabilità morfologiche della crescita degli ossidi (TGO) che si formano sul bond coat a causa delle imperfezioni iniziali della superficie. Tali instabilità avvengono quando la non planarità iniziale nei TGO cresce in ampiezza a mano a mano che il sistema attraversa i cicli termici con frequenze altissime di cambi di temperatura. Mediante mezzi numerici, è stato studiato il contributo degli spostamenti indotti dalla deformazione plastica del bond coat, e le sollecitazioni che si creano per via del disadattamento dell'espansione termica con il sostrato in superlega. I risultati analitici degli stress in piano hanno fornito preziosi approfondimenti sui meccanismi di cedimento che ne disciplinano la rottura. Poiché questi provocano la formazione di crepe e la loro estensione laterale, l'integrità dei sistemi di barriera termica multistrato è compromessa. Anche se la comprensione del meccanismo resta incompleta, ha nondimeno fornito una base informata per individuare gli attributi delle attuali procedure di produzione e per guidare gli sforzi di miglioramento della durata. Questo lavoro, che si è concentrato sulla microstruttura e le proprietà di materiali fabbricati e termotrattati, sarà corredato da una valutazione sperimentale in studi di casi industriali. I risultati dovrebbero dimostrarsi utili in un'ampia gamma di applicazioni in cui l'integrità strutturale deve essere conservata in condizioni difficili.
