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Ossidazione ciclica ad alta temperatura di rivestimenti per pale di turbina a gas: codice di previsione di vita e sua convalida mediante dati sperimentali relativi a componenti

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Ossidazione ciclica ad alta temperatura di rivestimenti per pale di turbina a gas: codice di previsione di vita e sua convalida mediante dati sperimentali relativi a componenti

Lo studio qui presentato tratta i quei rivestimenti che formano una scaglia superficiale aderente di allumina, in grado di proteggere il materiale del componente; a questa categoria appartengono i rivestimenti per pale di turbine a gas, che subiscono degrado in esercizio sia per l’ossidazione della superficie esterna sia a seguito dei fenomeni interdiffusivi col substrato; inoltre la condizione di esercizio cui vengono sottoposti comprende numerosi cicli termici che tendono a far sgretolare la scaglia protettiva esterna ( degrado per ossidazione ciclica). Il parametro utilizzato per stimare la vita residua del rivestimento metallico è la percentuale di alluminio ancora presente; infatti quando il contenuto di alluminio raggiunge il valore minimo critico, la capacità protettiva del rivestimento si esaurisce e la sua vita utile termina. In questa memoria viene descritto un codice di previsione, messo a punto sulla base dei risultati di un’ampia campagna sperimentale, in grado di calcolare la vita residua dei rivestimenti a partire dalle condizioni di esercizio. Ne viene mostrata dapprima l’applicazione ad un caso reale di componente esercito, effettuata per convalidare la capacità predittiva del codice. Vengono poi discussi i risultati delle valutazioni di vita ottenibili per due tipi diversi di rivestimento: AMDRY 995 e duplex, cioè con alluminizzazione superficiale). L’aspetto più innovativo del lavoro sta nella possibilità di tenere conto della minima temperatura del ciclo e quindi di riuscire a suggerire le condizioni di prova più efficaci perchè le prove di laboratorio simulino correttamente le condizioni di esercizio. In this paper alumina forming coatings are studied, able to form a stable protective oxide layer at the surface if exposed at high temperatures( 800-900°C). These coatings are used on hot parts of gas turbines and their degradation during service is due to both the external oxidation process and to the internal interdiffusion with the base material. In the actual operation condition a always higher number of thermal cycles is present caused by the frequent plant cycling required by the energy market; this thermal cycling is the cause of oxide spalling ( the whole degradation phenomenon is called cyclic oxidation). The parameter used to evaluate the residual life of the coating is the aluminum content remaining in the coating; when it reaches the minimum critical value, the coating is no more protective and its life is finished. In this paper a life prediction code for coatings is described, based on a wide experimental activity; the code is able to predict the lifetime of a coating sarting from its operation conditions. At first the code is applied to a real operated component to validate its predictive capability. Then the life predictions for two coatings are presented and discussed: AMDRY 995 and a duplex ( surface aluminisation). The most innovative aspect of the model is its capability to take into account the effect of the minimum temperature of the thermal cycle; this is useful to suggest the most effective conditions to be used in laboratory tests to obtain results as more representative as possible of actual operating conditions. Figura 1 Tipica cinetica di crescita dell’ossido in condizioni di ossidazione isoterma e ciclica. Figure 1. Comparison between oxide growth during isothermal exposure and cyclic oxidation. Figura 2 Forno per le prove di ossidazione ciclica (a sinistra); esempio di ciclo termico applicato dal software di gestione dell’apparecchiatura automatica (a destra). Figure 2 Furnace for cyclic oxidation tests ( left); example of thermal cycle applied by the automatic control system. Figura 3 Andamento del parametro Qo previsto dal modello in formula (1) a confronto con i dati sperimentali delle campagne di prova in laboratorio. PUBBLICATO A5042612 (PAD – 697703)

Figure 3 Comparison between the trend of Qo calculated by (1) and experimental data obtained in laboratory tests. Figura 4 Influenza della Tmin sul tempo di vita di un rivestimento Amdry 995 a 1000°C Figure 4 Influence of Tmin on the life time of an AMDRY 995 coating at 1000°C. Figura 5 Zone deplete di un rivestimento di AMDRY 995, dopo ciclaggio termico a 1050°C – 600 cicli di un’ora ( a sinistra). Accordo tra valori della somma delle due zone deplete previsti dal modello e misurati su campioni di prove di laboratorio ( a destra). Figure 5 Depleted zones in a AMDRY 995 coating after 600 cycles- 1 h dwell time- at 1050°C ( left). Comparison between depleted zone values calculated by the model and measured on laboratory tested samples ( right). Figura 6 Confronto tra curve di previsione del modello e dati sperimentali ottenuti su componente esercito. Figure 6 Comparison between calculated curves and experimental measurements performed on an operated component. Figura 7 Andamento della vita del rivestimento di AMDRY 995 calcolato dal codice di previsione per diversi spessori del rivestimento in funzione della temperatura. Figure 7 Life time of the AMDRY 995 coating vs temperature at different coating thicknesses. Figura 8 Numero di start-up in funzione del tempo di ciclo che portano al termine della vita utile del rivestimento di AMDRY 995 a due diverse temperature. Figure 8 Life prediction curves for AMDRY 995 as a function of operating cycle duration and number of start-ups at two different temperatures. Figura 9 Confronto tra le curve che danno il massimo numero di start-up in funzione del tempo di ciclo per i due rivestimenti Amdry 995 e duplex. Figure 9 Comparison between the life time curves of the model for AMDRY 995 and duplex coatings. Figura 10-Andamento del tempo di vita in funzione dello spessore del top coat per il rivestimento duplex. Figure 10 Life time of the duplex coating vs topcoat thickness. Tabella 1: Composizione nominale (% in peso) delle leghe e dei rivestimenti in studio. Table 1: Chemical compostion ( weight %) of substrates and coatings Keywords: rivestimenti, superleghe, ossidazione, modellazione, turbine a gas ( energia) Coatings, Superalloys, cyclic oxidation, modelling, gas turbines

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