Uno degli aspetti più critici che determinano la vita delle parti calde rotanti delle turbine a gas avanzate è la resistenza del rivestimento protettivo nel suo complesso (costituito da substrato di superlega, bond-coat metallico e barriera termica ceramica) nelle condizioni operative reali, molto severe sia per la permanenza prolungata a temperature elevate sia per i frequenti transitori di fermata e riavviamento che sottopongono il sistema descritto ad un severo ciclaggio termico. Nel rapporto A3 /042939 di questo Task (relativo alla milestone.1.2.3.1) sono stati descritti i modelli di degrado delle barriere termiche esistenti in letteratura. Questo rapporto descrive la campagna di prove sperimentali di ossidazione ciclica effettuate per studiare l’evoluzione del rivestimento in condizioni più esasperate di quelle d’esercizio in modo da poter determinare i parametri numerici dei modelli di degrado e rendere quindi più efficace la loro capacità predittiva del distacco delle barriere termiche. Nella prima fase dell’attività sono stati utilizzati campioni rivestiti di barriera termica ottenuta per termospruzzatura a plasma già presenti in CESI a seguito degli studi precedenti; in particolare: una barriera termica depositata con tecnica plasma spray pseudosegmentata prodotta da Praxair (serie P) ed una barriera termica di tipo convenzionale APS su bond coat di tipo AMDRY995 e substrato di Hastelloy (serie FS), oltre ad una barriera più spessa rappresentativa dei rivestimenti per camere di combustione (serie NM). Sono state effettuate sia prove di ciclaggio termico giornaliero a due diverse temperature (1000 e 1050 °C) sia prove di ciclaggio rapido (fase calda di 2 ore). Sono poi state effettuate due prove (una ciclica ed una isoterma) sui campioni più significativi e approvvigionati ad hoc, di superlega monocristallina con barriera termica colonnare, rappresentativi dei rivestimenti più avanzati presenti sulle parti calde delle turbine a gas dell’ultima generazione installate nel parco macchine italiano. Sulle sezioni metallografiche dei campioni con tempi di esposizione crescenti sono state fatte misure di spessore dell’ossido cresciuto termicamente (thermally grown oxide, TGO); i risultati hanno consentito di determinare le leggi di crescita dell’ossido sotto la TBC (elemento fondamentale nei modelli di previsione di vita del rivestimento multistrato con barriera ceramica). Inoltre su tali sezioni è stata studiata l’evoluzione del bond coat metallico (formazione delle zone deplete di fase protettiva) mediante il microscopio elettronico a scansione, nel quale con l’ausilio della microanalisi a dispersione di energia sono state fatte anche le mappe e i profili di concentrazione dei principali elementi (Al, Cr Ni, Co) per determinare la formazione di ossidi diversi dall’allumina all’interfaccia tra bond coat e ceramico. Questa parte dello studio ha consentito di confermare la possibilità di applicare all’evoluzione del bond coat metallico sotto la TBC i modelli di valutazione della vita residua dei rivestimenti metallici messi a punto negli studi di ossidazione ciclica precedenti.

In terzo luogo per ottenere i valori delle grandezze che entrano nei modelli di previsione di vita delle barriere termiche ceramiche sono state fatte misure di porosità nello strato ceramico per seguire i fenomeni di sinterizzazione e sono state determinate le proprietà meccaniche dello strato ceramico con i metodi dell’indentazione: Knoop per determinare il modulo di elasticità e la durezza, Vickers a carichi più elevati per determinare i valori di tenacità a frattura (per quest’ultima misura è stata messa a punto la procedura sperimentale). Questo studio ha consentito quindi di ricavare i principali parametri numerici necessari per l’applicazione dei modelli di previsione di vita delle barriere termiche (necessari per la milestone successiva). Infine sono state fatte due prove in atmosfera con umidità controllata nell’ambito del Progetto Europeo COTEST, finalizzato alla stesura e convalida di una procedura standard di prova di ossidazione ciclica.