Barriere termiche - TBC

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    05-Oct-2021
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9. superleghe.pptMateriali Aerospaziali
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
Materiali Aerospaziali
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
nBond coat (metal based/FGM) nTop coat (ceramic based)
Materiali Aerospaziali
n Engineered system n Thermal expansion mismatch
Materiali Aerospaziali
1st Stage Shroud
1st Stage Nozzle
Transition Piece
“Improved TBCs are a critical evolutionary technology for development of advanced turbine engines”
Materiali Aerospaziali
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
Materiali Aerospaziali
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
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.
Materiali Aerospaziali
n Thermal Barrier and Oxidation Resistant Bond Coats Combustion
Chamber Liner
Combustion Chamber
•Metco 204: 204B-NS, 204NS,204NS-1
EB-PVD processes being used on blades because of improved performance and smooth surface texture.
MCrAlY bond coats Applied by either plasma or LPPS
•AMDRY 995/962 Self bonding, one-step
•Nickel aluminum (Metco 450NS) •Nickel chromium aluminum (Metco 443NS)
Turbine Blade
Materiali Aerospaziali
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/flow l material spray (kinetic energy for propelling dispersion) l material deposition
Thermal spray process
outer segments inner segments
controlled gas stream
Materiali Aerospaziali
Sulzer Metco 2043
Metco 312NS
-176 +11 µm
Sulzer Metco 2042
< 325 °C-125 +11 µm
< 325 °C-125 +11 µm
Operating Temperature
Particle Size
Powder TypeProduct
Sulzer Metco 2043
Metco 312NS
-176 +11 µm
Sulzer Metco 2042
< 325 °C-125 +11 µm
< 325 °C-125 +11 µm
Operating Temperature
Particle Size
Powder TypeProduct
Materiali Aerospaziali
coating
coating
coating
coating
flame seems tighter because particles are colder and shine less
flame seems tighter because particles are colder and shine less
Coating formation – plasma vs. HVOF
thermal energythermal energy
kinetic energykinetic energy
nPure metals (e.g. Al, Cu)
n Stainless steel (e.g. 18.8)
nCo-base materials (e.g. Stellites, Triballoy)
nNi-base materials (e.g. Inconel, Hastelloy, self fluxing alloys)
nMCrAlY
nFor 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
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
- Riv. anticorrosione
- Riv. palette
- Riv. decorativi
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+ → +