Riassunto analitico
Le barriere termiche (Thermal Barrier Coating, TBC) sono rivestimenti protettivi e funzionali, costituiti da un doppio strato e attualmente applicati sui componenti metallici delle parti calde delle turbine a gas, sia per la generazione di energia sia per uso aeronautico. Lo strato inferiore, di tipo metallico, è detto bond coat e fornisce una protezione dall’ossidazione ad alta temperatura; quello superiore, di tipo ceramico, è detto top coat e ha la funzione di un isolante termico, per ridurre (unitamente a opportuni sistemi di raffreddamento interni) la temperatura del substrato. Nelle turbine a gas per la produzione di energia (Industrial Gas Turbine, IGT), questi strati sono generalmente applicati con tecniche di termospruzzatura, per il buon compromesso fra la qualità dei riporti e l’elevata produttività. In particolare, il top coat è generalmente applicato con la tecnologia denominata Atmospheric Plasma Spraying (APS).
Nella famiglia di processi di termospruzzatura, la tecnologia di recente sviluppo chiamata Suspension Plasma Spraying (SPS) permette di veicolare particelle sub-micrometriche e nanometriche all’interno del flusso di plasma al fine di creare rivestimenti nanostrutturati. Sono infatti le dimensioni sub-micrometriche della materie prime, unitamente al processo, che portano alla formazione di particolari microstrutture colonnari le quali presentano ottime caratteristiche sia come resistenza allo stress termico che all’erosione.
Questo lavoro di tesi è stato svolto in collaborazione con l’azienda Turbocoating S.p.A. con il principale obiettivo di migliorare l’efficienza di deposizione del processo. Mediante un piano DoE sono stati selezionati i parametri ottimali di processo per la deposizione del top coat ceramico su substrati precedentemente preparati; questi ultimi sono campioni cilindrici (bottoni) in Hastelloy X, rivestiti con un bond coat metallico in superlega MCrAlY. Dopo una caratterizzazione preliminare sulla microstruttura dei rivestimenti attraverso microscopio ottico, microscopio a scansione elettronica(SEM) e diffrazione a Raggi X (XRD) sono stati eseguiti i test funzionali di Thermal cycling fatigue (TCF), bond strenght test (BS) e test di erosione per valutarne la qualità e le prestazioni.
Le TBC ottenute, che presentano microstrutture colonnari, hanno superato i requisiti minimi sia in termini di numero di cicli al TCF sia di resistenza a trazione e presentano un ottima resistenza all’erosione se confrontate con i sistemi TBC tradizionali. Infine con il set-up migliore è stato rivestito un componente reale (Heat Shield) della camera di combustione di una turbina: lo studio di fattibilità ha portato a risultati promettenti sia in termini di industrializzazione di processo che in termini di prestazioni della barriera termica sviluppata.
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