Il presente Rapporto descrive le attività di Ricerca di Sistema svolte nell’ambito del Progetto Produzione e Fonti Energetiche.– WP 1.1 – “Tecnologie innovative volte alla flessibilizzazione degli impianti a ciclo combinato”. Per poter fare previsioni affidabili della vita residua delle parti calde e stime di quanto essa si abbrevia a causa di un esercizio flessibilizzato degli impianti ci si deve basare su una consolidata conoscenza dei meccanismi di degrado e dei relativi modelli di evoluzione del danno in funzione dei parametri di esercizio (ore di fuoco, numero di cicli termici, etc.). Per individuare (o confermare) tali relazioni quantitative e poterne determinare i coefficienti numerici specifici per le coppie materiale base/rivestimento dei componenti reali, è necessario effettuare ampie campagne sperimentali di prove di laboratorio. L’attività del 2006 è stata in parte svolta nell’ambito di un progetto di cooperazione internazionale avente simili scopi, il COST 538, finalizzato alla raccolta di algoritmi e tecniche diagnostiche che consentano una stima della vita residua delle parti calde esercite ad alta temperatura. Le attività svolte sono finalizzate a raccogliere metodologie per la quantificazione del degrado delle parti calde delle turbine a gas, sia per quanto riguarda il materiale base sia soprattutto per quanto riguarda i rivestimenti multistrato con barriera termica. In particolare per questi ultimi è proseguita l’implementazione del codice di previsione di vita messo a punto negli anni precedenti, mediante i dati sperimentali raccolti nel 2006. A tal fine sono state fatte prove di ossidazione ciclica su campioni di superlega con bond coat e barriera termica APS forniti dalla SULZER nell’ambito del citato progetto COST 538. L’evoluzione del degrado in queste prove è stata studiata sia con tecniche non distruttive (termografia e piezospettroscopia di fotoluminescenza) sia mediante analisi metallografica quantitativa e microanalisi a tempi crescenti di esposizione. Le misure hanno fornito la legge di crescita del TGO e delle zone deplete, dai quali sono stati ricavati i coefficienti di interdiffusione che costituiscono la base dei modelli di degrado del rivestimento metallico. In parallelo è stata svolta una campagna di misure con la piezospettroscopia di fluorescenza sia sui campioni citati al punto precedente sia su componenti eserciti e nuovi al fine di individuare parametri diagnostici significativi. Le misure svolte sui campioni con barriera APS hanno fornito la conferma della sensibilità a rilevare le alterazioni significative che avvengono alla base dello strato ceramico a fine vita; sono state però confermati anche i limiti pratici dell’applicabilità in campo della tecnica su componenti rivestiti con questo tipo di barriera, come già noto in letteratura.

Di contro l’ampia serie di misure effettuata su componenti con barriera termica colonnare, EB-PVD, in zone con diversa frazione di vita spesa ha consentito di confermare le notevoli potenzialità della tecnica nella valutazione del consumo di vita dei componenti eserciti, dotati di barriera ceramica colonnare. La tecnica PLPS determina quantitativamente la sollecitazione residua dello strato di ossido alla base dello strato ceramico; sono stati individuati con certezza i livelli associati a condizioni di buona adesione e all’interfaccia e quelli associati con la situazione di fine vita della barriera; di conseguenza questo parametro risulta ora utilizzabile come parametro diagnostico importante, da affiancare a quelli più consolidati, quali la misura dello spessore con fase beta residua mediante la tecnica a correnti indotte a scansione di frequenza (F- SECT). Infine per raccogliere maggiori informazioni sui fenomeni di sinterizzazione dello strato ceramico e porre solide basi per l’utilizzo di tecniche termografiche per la loro quantificazione non distruttiva sono state svolte misure di proprietà termofisiche su barriere termiche nuove ed invecchiate staccate dal substrato; i risultati sono stati confrontati con misure di modulo elastico e di parametri microstrutturali (porosità etc.). I risultati numerici di questi studi hanno consentito di implementare i modelli e le routine del software di previsione di vita dei rivestimenti sviluppato negli anni precedenti; si tratta di uno strumento che consente di effettuare valutazioni quantitative dell’influenza delle diverse condizioni operative degli impianti sulla durabilità dei componenti rivestiti più critici delle turbine a gas (le cosiddette parti calde), come esemplificato nell’ultima parte del rapporto mediante un esempio di applicazione a componenti reali.