Barriere termiche - TBC

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Materiali Aerospaziali Barriere termiche - TBC The basic function of a TBC: a duplex system Temperature drops of up to 170°C at the metal surface have been estimated for a 150μm thick YSZ

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Barriere termiche - TBC n  The basic function of a TBC: a duplex system

n  Temperature drops of up to 170°C at the metal surface have been estimated for a 150µm thick YSZ

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Modern TBS’s are required to: n  Limit heat transfer trough the coating

n  Protect engine components from oxidation n  Protect engine component from hot corrosion

n  Multifunctional requirements n  No single coating compositions

n Bond coat (metal based/FGM) n Top coat (ceramic based)

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n  Bond coat n  Oxidation resistance (MCrAlY - TGO)

n  Top coat n  Thermal “insulation” (ceramic layer)

n  Engineered system n  Thermal expansion mismatch

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Hot Stage Components 1st Stage Bucket Combustor

1st Stage Shroud

1st Stage Nozzle

Transition Piece

“Improved TBCs are a critical evolutionary technology for development of advanced turbine engines”

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n  Materials requirements n  High melting point n  No phase transformation between room

temperature and operation temperature n  Low thermal conductivity n  Chemical inertness n  Thermal expansion match with the metallic

substrate n  Good adhesion to the metallic substrate n  Low sintering rate of the porous microstructure n  Resistance to thermal shock

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ü  Come controllare le sollecitazioni termiche

Si consideri un rivestimento sottile depositato su un componente che presenta spessore nettamente superiore a quello del deposito. Dapprima si immagini che lo strato si sia staccato dal substrato. Una variazione di temperatura di ΔT produce una variazione della lunghezza dello strato pari a

δL1 = α1L0ΔT Il substrato al quale il deposito era precedentemente legato, si contrae di

δL2 = α2L0ΔT . Se α1 > α2 lo strato superficiale ritira di più del substrato. Se vogliamo nuovamente far aderire il rivestimento al substrato massivo, rivestendo la stessa superficie di prima, dobbiamo stirarlo con una deformazione Questo richiede una sollecitazione nel rivestimento pari a

σ = E1 (α1 – α2 )ΔT

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ü  Come progettare sfruttando le proprietà termiche: come controllare le sollecitazioni termiche

L a s o l l e c i t a z i o n e p u ò e s s e r e sufficientemente elevata da fratturare il rivestimento superficiale. Così, se si uniscono materiali differenti, ci si deve attendere che insorgano sollecitazioni termiche quando vengono riscaldati o raffreddati. Per impedirlo, si devono evitare le combinazioni tra material i con coefficienti di espansione termica troppo diversi. La mappa α−λ riporta il coefficiente di espansione α su uno dei due assi cartesiani: scelte valide sono quelle di materiali che si collocano vicini su questo asse, pericolose sono quelle corrispondenti a materiali che distano l’uno dall’altro.

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AIRCRAFT GAS TURBINE ENGINE PARTS

n Thermal Barrier and Oxidation Resistant Bond CoatsCombustion

ChamberLiner

CombustionChamber

Liner

Thermal barrier coatings (TBC’s)Yttria stabilized Zirconia (YSZ)

•Metco 204: 204B-NS, 204NS,204NS-1

EB-PVD processes being used on blades because of improved performance and smooth surface texture.

MCrAlY bond coatsApplied by either plasma or LPPS

•AMDRY 995/962Self bonding, one-step

•Nickel aluminum (Metco 450NS) •Nickel chromium aluminum (Metco 443NS)

TurbineBlade

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energy

heat/energy source

material

material feed/flow

atomizinggas or air

material spray

substrate

coating

molten particlesspray equipmentenergy

heat/energy source

material

material feed/flow

atomizinggas or air

material spray

substrate

coating

molten particlesspray equipment

n A thermal spray process can be divided into four sections:l heat/energy source (thermal energy for heating and

melting)l material feed/flowl material spray (kinetic energy for propelling dispersion)l material deposition

Thermal spray process

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TBC coated parts of combustion chamber

outer segments inner segments

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disc

blade root

blade

casing segment abradable seal

abradable coating

abrasive blade tip minimum gap

controlled gas stream

Working principle of abradable seals

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< 750 °Cagainst Inconel®

-150 +7.8 µm

Co 25Ni 16Cr 6.5Al 0.5Y 15PE 4BN

Sulzer Metco 2043

< 815 °C-150 +45 µm

Ni 4Cr 4Al 21Calcined BentoniteClay

Metco 312NS

< 600 °Cagainst Ti blades

-176 +11 µm

Co 25Ni 16Cr 6.5Al 0.5Y 20PE 7BN

Sulzer Metco 2042

< 480 °C-212 +45 µm

Al 8Si 20BNMetco 320NS

< 425 °C-150 +7.8 µm

Al 5.5Si 45.5 GraphiteMetco 313NS

< 325 °C-125 +11 µm

Al 12Si 40 Polyester (PE)AMDRY 2010

< 325 °C-125 +11 µm

Al 12Si 40 Polyester (PE)Metco 601NS

Operating Temperature

Particle Size

Powder TypeProduct

< 750 °Cagainst Inconel®

-150 +7.8 µm

Co 25Ni 16Cr 6.5Al 0.5Y 15PE 4BN

Sulzer Metco 2043

< 815 °C-150 +45 µm

Ni 4Cr 4Al 21Calcined BentoniteClay

Metco 312NS

< 600 °Cagainst Ti blades

-176 +11 µm

Co 25Ni 16Cr 6.5Al 0.5Y 20PE 7BN

Sulzer Metco 2042

< 480 °C-212 +45 µm

Al 8Si 20BNMetco 320NS

< 425 °C-150 +7.8 µm

Al 5.5Si 45.5 GraphiteMetco 313NS

< 325 °C-125 +11 µm

Al 12Si 40 Polyester (PE)AMDRY 2010

< 325 °C-125 +11 µm

Al 12Si 40 Polyester (PE)Metco 601NS

Operating Temperature

Particle Size

Powder TypeProduct

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Plasma spraying → hot particles

HVOF spraying → fast particlessubstrate

coating

coating

coating

coating

flame seems tighterbecause particles arecolder and shine less

flame seems tighterbecause particles arecolder and shine less

Coating formation – plasma vs. HVOF

thermal energythermal energy

kinetic energykinetic energy

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n  Typical HVOF materials

n Carbides / Cermets (e.g. WC-Co, WC-CoCr, Cr3C2-NiCr)

n Pure metals (e.g. Al, Cu)

n  Stainless steel (e.g. 18.8)

n Co-base materials (e.g. Stellites, Triballoy)

n Ni-base materials (e.g. Inconel, Hastelloy, self fluxing alloys)

n MCrAlY

n For special applications: Oxide Ceramics like Al2O3

n  Typical grain size of spray powder lies between 16 - 45µm, also finer powders are used

Typical HVOF materials

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Proprietà richieste al riporto ed alla superficie §  Elevata resistenza all’abrasione ed all’usura da

strisciamento §  Elevata duttilità per resistere ai carichi da impatto §  Basso coefficiente di attrito §  Elevata resistenza agli sforzi di taglio §  Resistenza alla corrosione ambientale più varia §  Resistenza alla fatica ciclica e capacità di inibire la

propagazione delle cricche à tensioni a compressione §  Riparabile (inclusa la rimozione) §  Facile da lavorare e rettificare §  Possibilità di testare il riporto spruzzando dei provini

assieme al pezzo di produzione

Possibili riporti HVOF WC-17Co, WC-10Co-4Cr, WC-12Co/Ni, Superleghe

Carrelli di atterraggio

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Esempi applicazioni PVD

- Riv. elettricamente conduttivi per metallizzazione ceramici

- Riv. anticorrosione

- Riv. palette

- Riv. con finalità ottiche (rifless, antirifless …)

- Riv. decorativi

Ti-Au, Ti-Pd-Au, Al …

SiO, MgF2

Al, Au

Es Al su acciaio

M-CrAl

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Alcune reazioni

760 torr 900 TiN Fino 760 torr 850 Si3N4

760 torr 1300 BN 17÷60 torr 850-1050 TiC 10÷50 torr 900-1400 SiC 10÷20 torr 1200-1400 B4C 2÷760 torr 800-110 TiB2

High frequency RF: H2+idrocarburi

Diamond Like 2÷760 torr 1100 GRAFITE 10÷760 torr 300-700 W ~20 torr 500-900 Re Fino 760 torr 180-200 Ni <20 torr 400-1350 Mo

p t°C reazione deposito 6 23 6MoCl H Mo HCl+ → +

4( ) 4Ni CO Ni CO→ +

6 2Re 3 Re 6F H HF+ → +

6 23 6WF H W HF+ → +

4 22CH C H→ +

4 3 2 22 5 10TiCl BCl H TiB HCl+ + → +

3 4 2 44 4 12BCl CH H B C HCl+ + → +

3 3 3CH SiCl SiC HCl→ +

4 4 4TiCl CH TiC HCl+ → +

3 3 3BCl NH BN HCl+ → +

4 3 3 43 4 12SiCl NH Si N HCl+ → +

4 2 22 4 2 8TiCl H N TiN HCl+ + → +