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Caratterizzazione micro strutturale di barriere termiche mediante misura di diffusività

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Caratterizzazione micro strutturale di barriere termiche mediante misura di diffusività

Recently updated on Aprile 7th, 2021 at 12:13 pm

Questo rapporto descrive una nuova tecnica non-distruttiva per determinare le caratteristiche microstrutturali dei rivestimenti protettivi depositati sulle palette delle turbine a gas con funzione di barriera termica (TBC, Thermal Barrier Coating). Le TBC sono costituite da uno strato di materiale ceramico poroso realizzato con ossido di zirconio parzialmente stabilizzato (7-8% in peso) con ossido di ittrio (YPSZ) e la conoscenza della quantità, orientazione e morfologia dei pori è importante per stimare non distruttivamente alcuni parametri microstrutturali medi da utilizzare quali dati d’ingresso per i modelli analitici che descrivono il modulo elastico in funzione appunto delle caratteristiche della porosità del materiale in termini di quantità, orientazione e morfologia dei pori. In prospettiva, qualora si riuscisse a mettere a punto una tecnica non distruttiva per la misura della diffusività termica anche nel piano si potrebbe riuscire a stimare in modo non distruttivo le proprietà elastiche delle TBC. Esistono diverse tecniche per determinare la porosità del materiale, che in ogni caso prevedono rispettivamente il sezionamento del campione (microscopia ottica e a scansione), il riempimento irreversibile delle porosità con Hg (porosimetria a mercurio), la misura di peso e volume per determinare la densità e quindi la porosità previa rimozione della TBC dal substrato (Metodo di Archimede). La tecnica innovativa sviluppata parte dalla misura della diffusività termica di un campione di materiale immerso, di volta in volta, in gas inerti caratterizzati da proprietà termo-fluidodinamiche differenti e utilizza per l’inversione dei dati sperimentali un modello analitico che descrive l’effetto sulla diffusività termica dei diversi tipi di porosità. Per una corretta interpretazione dei dati sperimentali e stima dello spessore medio della porosità lamellare è stato tenuto conto dell’effetto Knudsen che consiste nella riduzione del valore di conducibilità termica del gas quando il suo libero cammino medio risulta dello stesso ordine di grandezza o inferiore alle dimensioni dei pori all’interno dei quali è presente. In particolare, in tale contesto, è stata determinata l’espressione dell’effetto Knudsen per porosità sferiche partendo da quella per porosità lamellari reperibile in letteratura. A valle di una prima verifica sperimentale finalizzata a valutare la fattibilità, nel corso dell’attività: – E stata sviluppata una routine di calcolo in ambiente Matlab ® (modello diretto) per la stima della conducibilità/diffusività termica di TBC APS in funzione della frazione volumetrica, della morfologia ed orientazione della porosità. In particolare, la routine consente di modellare un materiale poroso con fino a 5 differenti tipologie di porosità. – È stata sviluppata in ambiente Matlab ® una routine d’inversione dei dati sperimentali di diffusività termica misurati immergendo i campioni porosi in tre gas ed effettuando la misura in vuoto. A causa del limitato numero di condizioni sperimentali è stato necessario limitare a tre il numero dei parametri di fitting. Infatti aumentando opportunamente il numero di gas con proprietà termo fluidodinamiche significativamente differenti questo numero potrebbe essere aumentato. In ogni caso per la fisica stessa non avrebbe senso cercare di discriminare e caratterizzare tipologie di porosità che per la loro morfologia ed orientazione svolgono un ruolo marginale in termini di alterazione della diffusività termica misurata nello spessore della TBC. – Sono state effettuate diverse valutazioni delle potenzialità della procedura d’inversione partendo sia da dati generati con il modello diretto sia relativi alle misure effettuate nel corso della fattibilità. – Sono stati realizzati numerosi campioni di TBC APS poi utilizzati nel corso dell’attività sperimentale. Tre campioni sono stati utilizzati per effettuare le misure di diffusività termica in diverse atmosfere. Al fine di valutare la sensibilità della tecnica alle variazioni microstrutturali le misure sono state effettuate sia prima che successivamente ad un trattamento termico di sinterizzazione. Quattro campioni sono stati utilizzati per la caratterizzazione mediante porosimetria a mercurio. Oltre ai tre già oggetto delle misure di diffusività termica altri tre campioni sono stati utilizzati per la caratterizzazione micro strutturale mediante microscopia elettronica a scansione.

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