L’obiettivo dell’attività in oggetto è lo studio di fattibilità inerente all’impiego di tecniche termografiche non distruttive per il rilievo in – situ della diffusività termica delle barriere termiche ceramiche (TBC) depositate sulle parti calde delle turbine a gas. Ciò al fine di giungere a correlare l’incremento della diffusività termica della TBC con l’infragilimento da sinterizzazione che è uno dei principali responsabili del degrado delle TBC. Poiché, in ultima analisi è possibile correlare la variazione delle proprietà meccaniche delle TBC con la loro vita residua, nell’ambito di questo studio è stata affrontata anche la problematica inerente alla determinazione sperimentale del modulo elastico delle TBC. In particolare, è stato effettuato uno studio bibliografico per l’identificazione delle tecniche sperimentali idonee a determinare le proprietà meccaniche delle TBC (con particolare riferimento alla microdurezza e al modulo elastico), sulla base del quale è stato deciso di approntare un sistema sperimentale per l’effettuazione delle indentazioni Knoop. Ciò ha comportato tra l’altro la definizione di una procedura per la preparazione dei campioni di TBC e l’identificazione delle condizioni sperimentali ottimali di prova. A conclusione della fase di messa a punto della tecnica, sono state effettuate misure su diverse tipologie di TBC (nello stato tal quale e dopo un periodo d’esposizione ad alta temperatura) e i dati ottenuti sono risultati in linea con quelli di letteratura. Infine, è stato identificato un modello matematico in grado di descrivere la dipendenza delle proprietà meccaniche delle TBC in funzione del contenuto, della morfologia e della orientazione della porosità. È stata valutata la possibilità di estendere l’approccio, già precedentemente sviluppato da CESI relativamente alla conducibilità termica, per l’impiego di questo modello del modulo elastico al caso nel quale siano presenti contemporaneamente più tipologie di porosità. Poiché il parametro che è determinato sperimentalmente utilizzando le tecniche termografiche per la misura di diffusività termica α di un rivestimento superficiale di spessore L è L 2 /α, al fine di determinare il valore assoluto della diffusività termica è necessario misurare L. Con questo obiettivo, preliminarmente alle altre attività previste, è stato effettuato uno studio sperimentale sull’influenza della rugosità superficiale sulla riproducibilità della misura dello spessore della TBC rilevato con spessimetri a correnti indotte. Il risultato principale di questa attività è che qualora la rugosità superficiale sia uguale o inferiore a 2 µm (tipica delle TBC nuove dopo le operazioni di finitura superficiale) la riproducibilità della misura è sufficientemente elevata da consentire la misura di diffusività termica con un’accuratezza accettabile per gli scopi prefissi. Per quanto riguarda lo studio di fattibilità vero e proprio inerente alle tecniche termografiche, sulla base delle caratteristiche specifiche delle TBC e dei diversi meccanismi di sinterizzazione che hanno luogo nelle TBC nel corso dell’esercizio e sono correlati alle tecniche di deposizione utilizzate, sono state identificate metodologie sperimentali fototermiche in grado di determinare la diffusività termica nello spessore (per le

TBC convenzionali depositate con tecnica plasma spray) e nel piano (per le TBC colonnari depositate con tecnica EB-PVD). Da questa analisi, sono stati sviluppati dei modelli analitici da utilizzare sia in fase d’ottimizzazione dei parametri di misura sia nella fase d’inversione dei dati sperimentali. In particolare, dai dati geometrici e termofisici relativi alle diverse tipologie di TBC, utilizzando i modelli matematici sviluppati e i codici di calcolo alle differenze finite già in dotazione a CESI, sono state effettuate delle valutazioni inerenti alle condizioni sperimentali da adottare e i requisiti del sistema sperimentale termografico da utilizzare. L’attività teorica ha consentito di identificare due tecniche termografiche potenzialmente utilizzabili per il rilievo della diffusività termica nello spessore mentre ha evidenziato difficoltà modellistiche e sperimentali attualmente ritenute difficilmente superabili per quanto riguarda la determinazione della diffusività termica nel piano. Relativamente all’attività modellistica, un altro dei risultati notevoli riguarda la dimostrazione che utilizzando tecniche fototermiche/termografiche per la misura della diffusività termica nello spessore, pur impiegando sorgenti di calore con distribuzione spaziale qualunque è possibile invertire i dati sperimentali con un modello uni-dimensionale, purché si consideri la media della temperatura rilevata su una superficie sufficientemente ampia del campione o del componente rispetto all’area riscaldata. Per quanto riguarda l’attività sperimentale, al fine di eseguire la sperimentazione, sono state acquisite alcune serie di campioni di TBC convenzionali, pseudo – segmentate e colonnari. In particolare, per ogni tipologia di TBC sono stati realizzati campioni nuovi e giunti al 35%, 70% e al 100% della vita così da valutare l’effettiva sensibilità della tecnica in relazione ai fenomeni di degrado imputabili ai processi di sinterizzazione che hanno luogo nel corso dell’esposizione ad alta temperatura. Per l’attività sperimentale, è stata utilizzata anche una pala di turbina a gas nuova, rivestita con una TBC convenzionale. L’attività sperimentale vera e propria è consistita nell’approntamento delle due configurazioni di misura con le due tecniche precedentemente identificate come potenzialmente applicabili per il rilievo della diffusività termica delle TBC in impianto. In particolare, sono state effettuate più prove ripetute sulle serie di campioni di TBC riscaldando la superficie degli stessi con due sorgenti luminose aventi rispettivamente un profilo temporale ad impulso e a gradino. Dall’elaborazione dei dati sperimentali relativi alla tecnica termografica che prevede il riscaldamento con un impulso risulta che la tecnica sviluppata è poco sensibile alla scelta della durata dell’esperimento purché essa rimanga nei limiti temporali per i quali è possibile considerare il substrato un mezzo termicamente semi-infinito. È inoltre confermato anche sperimentalmente il risultato teorico circa alla possibilità di utilizzare un modello uni – dimensionale per descrivere l’andamento temporale della temperatura mediata su tutta la superficie del campione indipendentemente dalla forma della zona riscaldata. I valori assoluti di diffusività termica determinati con questa tecnica risultano leggermente più alti di quelli misurati in precedenza in CESI su altri campioni di TBC con altre tecniche, ma comunque sono all’interno dell’intervallo di variabilità dei dati di letteratura. Dal punto di vista dei fenomeni di sinterizzazione, tenendo conto che i campioni sono stati invecchiati alla temperatura massima di 1100°C gli incrementi percentuali relativi osservati sono in linea con quanto riportato in letteratura.

Per quanto riguarda le prove effettuate con riscaldamento a gradino è emerso che questa tecnica è molto più sensibile alla durata dell’esperimento rispetto al caso di riscaldamento ad impulso. Fissata correttamente la durata dell’esperimento, i dati risultano riproducibili in termini di diffusività termica e del coefficiente di riflessione; i valori assoluti però differiscono sensibilmente rispetto a quelli determinati con la tecnica di riscaldamento ad impulso. In ogni caso, va sottolineato che anche questa tecnica si è dimostrata sensibile alle variazioni di diffusività termica indotte nei campioni di TBC dalla permanenza ad alta temperatura e quindi risulta potenzialmente utilizzabile per il monitoraggio dell’invecchiamento (ponendo quindi attenzione principalmente all’incremento relativo della diffusività termica e non al suo valore assoluto) delle TBC depositate sulle parti calde di turbine a gas, a patto di ottimizzare con attenzione la durata dell’esperimento. A conclusione di tutte le attività sono infine fornite delle indicazioni su come definire delle linee guida potenzialmente applicabili per l’acquisizione sperimentale di curve di diffusività termica rispetto al parametro di Larson Miller e la loro correlazione con i dati relativi al modulo elastico, al fine di acquisire informazioni utili per effettuare una stima della vita residua delle TBC.