La presente attività, svolta nell’ambito del progetto EVINGEN/sottoprogetto GENIN è rivolta allo studio e alla valutazione dei materiali candidati all’impiego per la realizzazione di palette di turbine a gas innovative e alla simulazione mediante modelli matematici del comportamento di tali palette durante alcune tipiche condizioni di esercizio In particolare l’attività copre i seguenti aspetti: • valutazione delle reali prestazioni meccaniche di alcune delle superleghe ritenute di più probabile applicazione nella realizzazione, quale materiale strutturale, delle palette di futura generazione; • valutazione della resistenza a fatica termomeccanica di vari tipi di rivestimenti anticorrosione di ultima generazione ed innovativi (approvvigionati sul mercato) mediante prove in burner rig e/o laser thermal shock; • caratterizzazione microstrutturale e termofisica (diffusività termica e calore specifico) di barriere termiche innovative; • analisi delle distribuzioni di temperature e sollecitazioni in componenti rivestiti con barriere termiche mediante calcoli agli elementi finiti. In questo modo l’attività si propone di rispondere ai seguenti tre quesiti sostanziali: • valutare il comportamento del materiale strutturale di cui sono costituiti i principali componenti dei turbogas, • valutare il comportamento dei rivestimenti a fatica termomeccanica (loro principale causa di degrado) e la rispondenza delle barriere termiche al compito assegnato, • stimare le reali condizioni operative del componente esaminato al fine di valutare l’adeguatezza e l’efficacia dei materiali prescelti. In continuità con l’attività svolta nel corso del 2000, la valutazione delle reali prestazioni meccaniche è stata focalizzata su due leghe monocristalline di seconda generazione (3% Re), candidate all’impiego nella palettatura mobile dei primi stadi, il CM186SC e il CMSX-4. A tal fine è stato predisposto ed è attualmente in corso un mirato programma di indagini sperimentali (prove di creep, prove di fatica, analisi microstrutturali) per determinare i principali fattori che definiscono le prestazioni strutturali delle leghe. L’analisi dei dati sperimentali ottenuti, unitamente al confronto con i dati di letteratura e provenienti da altri progetti nonché con i dati relativi alle reali condizioni di impiego (sollecitazioni e temperatura), soprattutto europei, consentirà di evidenziare le reali possibilità di utilizzo di queste leghe nella realizzazione dei componenti operanti a più alta temperatura in turbine a gas industriali.

Per quanto riguarda i rivestimenti innovativi anticorrosione della parti calde di turbogas è noto che la principale causa di deterioramento precoce è la fatica termomeccanica che genera microcricche superficiali nei rivestimenti. L’attacco corrosivo a caldo (hot corrosion) ha di conseguenza modo di penetrare attraverso questi fino al substrato. Scopo di questa attività è ottenere una panoramica esauriente della resistenza a questi fenomeni di vari tipi di rivestimenti di ultima generazione ed innovativi (approvvigionati sul mercato) mediante prove in burner rig e/o laser thermal shock. Attualmente sono in fase di completamento le prove sperimentali, già iniziate nel corso del 2000, sui campioni approvvigionati (GT33+, GT29+ e Amdry995 rivestito con la tecnica HVOF), che sarà confrontato con Amdry995 rivestito con la tecnica VPS che è quella attualmente in uso (i rivestimenti indicati con + hanno uno strato esterno ottenuto per alluminizzazione). Parallelamente all’attività sperimentale, verrà effettuata una simulazione termomeccanica di alcune prove risultate particolarmente significative al fine di valutare la distribuzione delle sollecitazioni e delle deformazioni nei provini durante le prove stesse. In questo modo dall’unione dei dati sperimentali (numero di cicli a fatica per produrre l’innesco di un difetto) e dei dati numerici (sforzi e deformazioni da associare alla prova simulata) è possibile costruire una curva di resistenza a fatica del materiale ed ottenere una metodologia base di riferimento per l’utilizzo del sistema laser thermal shock per determinare la resistenza a fatica dei vari tipi di rivestimento metallico per turbogas, senza ricorrere alle prove di fatica termomeccanica tradizionali, molto più lunghe e costose. In conformità con quanto previsto dal programma sperimentale definito al termine del 2000, la sperimentazione in corso riguarda rivestimenti in zirconia parzialmente stabilizzata con ittria (YPSZ) depositati con tecnica Air Plasma Spray (APS) allo stato tal quale, infiltrati con allumina con tecnica sol-gel ed infine a struttura pseudo-colonnare. Attualmente sono in corso di esecuzione prove di ossidazione ciclica e shock termici, ossidazione permanente, corrosione ad alta temperatura, ed erosione ad alta temperatura. Per quanto riguarda le analisi delle distribuzioni di temperatura e sollecitazioni in componenti rivestiti con barriere termiche l’attività, già iniziata nel 2000 con la simulazione di un tipico "transition piece" di una turbina a gas di grossa taglia, si prefigge nel corso del 2001 di realizzare un modello di calcolo, mediante codice ad elementi finiti, di una tipica pala rotorica di 1° stadio rivestita con barriera termica di tipo innovativo. L’attività si suddivide nelle seguenti fasi: • reperimento delle caratteristiche termodinamiche dei fluidi (gas ed aria), termomeccaniche dei materiali costituenti pala e barriera termica e delle condizioni operative tipiche della macchina, • realizzazione di un modello a celle di calcolo del canale interpalare e successiva effettuazione dell’analisi fluidodinamica atta a definire il campo di moto e temperatura del fluido, dati essenziali per il successivo calcolo di temperatura nella paletta, • realizzazione di un modello ad elementi finiti di una pala comprensiva dei canali di raffreddamento e successiva effettuazione dell’analisi termomeccanica atta a definire il campo di temperatura e sforzi nella paletta, • individuazione dei punti critici attraverso il confronto dei dati ottenuti con i limiti di resistenza a creep e fatica termomeccanica dei materiali impiegati. Allo stato attuale sono stati realizzati i primi due punti di cui una dettagliata descrizione è contenuta nel seguito, mentre il terzo è in via di realizzazione.