Il CESI è impegnato da anni nello studio e caratterizzazione di barriere termiche innovative per parti calde di turbine a gas. Questi rivestimenti ceramici rappresentano, infatti, l’unica soluzione attuabile nel breve e nel medio periodo in grado di innalzare la temperatura dei gas d’ingresso in turbina e quindi di migliorare il rendimento della macchina stessa. E tutto ciò senza dover modificare significativamente le caratteristiche dei materiali con i quali sono attualmente realizzati i componenti sui quali le barriere termiche sono depositate. Possibili soluzioni alternative come quelle che prevedono l’uso di materiali ceramici compositi per la realizzazione di componenti quali pale rotoriche o statoriche di turbina non potranno essere adottate prima di una decina d’anni poiché la messa a punto delle tecnologie realizzative di questi componenti richiede ancora notevoli sforzi. Nel presente documento sono riassunti i principali risultati dell’attività sperimentale nell’ambito del progetto EVINGEN della Ricerca di Sistema, sottoprogetto GENIN (Tecnologie innovative di generazione) avviata al termine del 2000 e condotta secondo la matrice sperimentale progettata [1]. Si ricorda che le barriere termiche attualmente impiegate risultano essere tipicamente rivestimenti di ossido di zirconio parzialmente stabilizzato con ossido di ittrio (YPSZ) dello spessore di qualche centinaio di micron. La scelta della parziale stabilizzazione dell’ossido di zirconio con ossido di ittrio è determinata dalla possibilità di ottenere riporti costituiti dalla fase tetragonale che esibisce le migliori proprietà di resistenza termomeccanica. I rivestimenti sono realizzati tipicamente con la tecnica plasma spray in aria (APS) o in alcuni casi specifici con la tecnica dell’Electron Beam- Physic Vapour Deposition (EB-PVD). I principali vantaggi di quest’ultima tecnica di deposizione sono rappresentati dalla struttura colonnare del rivestimento che risulta così più resistente a sollecitazioni termomeccaniche di quanto non accada nel caso dei riporti realizzati con la tecnica APS i quali per contro esibiscono generalmente costi e conducibilità termica notevolmente inferiori a quelli tipici dei riporti EB-PVD. Tra la fine del 2000 e l’inizio del 2001 si è provveduto a reperire diverse tipologie di barriere termiche innovative disponibili sul mercato o in fase di sviluppo presso centri di ricerca. A titolo comparativo sono stati acquisiti anche campioni di barriera termica convenzionale YPSZ depositati con la tecnica del plasma spray in aria. L’attività si è articolata su diversi livelli. Più in dettaglio i diversi materiali sono stati caratterizzati dal punto di vista microstrutturale (spessore, porosità, morfologia microanalisi, ecc.), termofisico (diffusività termica e calore specifico), chimico, della resistenza a corrosione a shock e ciclaggi termici e a ossidazione permanente. Tutto ciò con l’idea di valutare l’eventuale insorgenza di fenomeni di sinterizzazione, di trasformazioni chimico-fisiche irreversibili e dell’ossidazione dell’interfaccia TBC bondcoat a seguito dell’esposizione dei campioni alle temperature tipiche d’esercizio. A tale scopo, la diffusività termica dei campioni è stata misurata in funzione della temperatura nell’intervallo 100°- 1280°C e i cicli di misura sono stati ripetuti più volte su ogni campione al fine di evidenziare eventuali variazioni dei valori legate ad una trasformazione delle proprietà del campione con la permanenza in temperatura. Similmente anche le misure di calore specifico sono state ripetute più volte al fine di mettere in evidenza eventuali

trasformazioni (reversibili o meno) eso- o endotermiche quali reazioni chimiche, rilassamento delle tensioni residue ecc.. Al fine di valutare la resistenza a fenomeni di corrosione in termini di stabilità della fase tetragonale in presenza di solfati di sodio sono state eseguite misure di corrosione secondo la metodologia del “dean test” al termine delle quali i campioni sono stati caratterizzati sia da un punto di vista microstrutturale sia da un punto di vista della struttura chimico-fisica mediante la diffrazione dei raggi X. È stata anche valutata la resistenza ad erosione da particolato solido delle TBC. Per valutare il grado d’adesione delle diverse barriere termiche, i campioni sono stati sottoposti a shock termici estremamente gravosi. In questo modo è stato possibile stilare una sorta di classifica delle TBC testate. Al fine di valutare l’eventuale insorgenza ed evoluzione di scaglie d’ossido all’interfaccia tra TBC e bondcoat metallico si è provveduto a sottoporre le diverse TBC a prove di ossidazione ciclica e di ossidazione permanente. Periodicamente alcuni campioni sono stati estratti e caratterizzati dal punto di vista microstrutturale al fine di rilevare l’insorgenza di fenomeni di ossidazione dell’interfaccia. Si sottolinea che è stata messa a punto anche una metodologia d’impregnazione delle barriere termiche in grado di ridurre notevolmente la formazione della porosità fittizia durante le fasi di preparazione dei campioni per analisi microstrutturali. Al termine delle attività (nel corso del 2002), è infine prevista l’esecuzione di misure termofisiche sui campioni precedentemente sottoposti alle prove di ossidazione al fine di valutare l’influenza dei processi di sinterizzazione e della crescita della scaglia di ossido all’interfaccia sulle caratteristiche d’isolamento di queste barriere termiche. I risultati ottenuti hanno permesso di concludere che se le TBC non devono lavorare in presenza di elevate concentrazioni d’elementi corrosivi, i rivestimenti APS pseudo-colonnari potrebbero essere preferiti a quelli APS convenzionali, in particolare nel caso si temesse un effetto erosivo o sollecitazioni termiche e meccaniche elevate. Dal punto di vista delle proprietà termofisiche, i campioni migliori sono quelli APS convenzionali nel senso che essi possiedono valori di diffusività termica inferiori a quelli delle altre due serie di TBC prese in considerazione. Circa i campioni infiltrati, benché resistano sensibilmente meglio alla corrosione e all’erosione rispetto ai campioni APS convenzionali non sono in grado di resistere a forti transitori termici. Relativamente alle barriere termiche fornite dall’Università di Tampere sono state rilevati valori di diffusività termica superiori a quelli delle TBC convenzionali, inoltre, sulla base dei soli dati termofisici a disposizione, si può pensare di sostituire l’ittria con la ceria quale stabilizzante della zirconia (nel caso si evidenziassero dei vantaggi specifici) in quanto i due materiali mostrano proprietà simili. Si esclude invece un uso proficuo della magnesia quale stabilizzante. Infine il processo di deposizione di TBC non convenzionali (quale ad esempio lo zirconato di lantanio) è risultato critico, soprattutto quando si vogliano realizzare barriere di spessore superiore. Le attività previste per il 2002 consentiranno di completare le analisi e di valutare anche quest’ultimo punto.