Legame migliorato

Dec 12, 2023

Centro di ricerca Lewis, Cleveland, Ohio

È stato dimostrato che i rivestimenti a barriera termica (TBC) di produzione attuale sono in grado di ridurre la temperatura media dei componenti metallici da 50 a 80 °C e la temperatura dei punti caldi fino a 140 °C. Questa sostanziale riduzione della temperatura è stata utilizzata per prolungare la vita dei componenti metallici nelle turbine degli aerei. Tuttavia, per le applicazioni critiche volte a migliorare le prestazioni del motore in cui sono coinvolte temperature significativamente più elevate, sono necessari TBC con una maggiore durata. È stato dimostrato che un rivestimento adesivo migliorato che incorpora strati metallici e cermet aumenta la durata della fatica termica di un rivestimento a barriera termica (TBC) spruzzato al plasma di un fattore due o più. Questi TBC possono essere applicati a componenti di turbine a gas e motori diesel.

Un tipico TBC comprende un singolo strato di rivestimento metallico, spesso da 0,005 a 0,008 pollici (da circa 0,13 a 0,020 mm), rivestito con un singolo strato di rivestimento ceramico, da circa 0,005 a 0,020 pollici (da circa 0,13 a 0,50 mm). Lo strato di rivestimento è tipicamente MCrAlX, dove M significa Ni, Co o Fe e X significa Y, Zr, Hf, Yb o un altro elemento reattivo. Lo strato di rivestimento ceramico è tipicamente zirconia parzialmente stabilizzata con dal 6 all'8% in peso di ittrio. Il rivestimento di collegamento viene tipicamente lavorato mediante spruzzatura al plasma, mentre il rivestimento superiore può essere lavorato mediante spruzzatura al plasma o deposizione fisica in fase vapore con fascio di elettroni. Per i TBC che utilizzano un rivestimento superiore spruzzato al plasma, il rivestimento adesivo viene preparato con una superficie ruvida per migliorare l'adesione.

Nonostante la necessità della ruvidità del rivestimento adesivo per migliorare l'adesione, la ruvidità tende anche a intensificare le sollecitazioni che si verificano all'interfaccia tra la ceramica e lo strato adesivo. Lavori recenti hanno dimostrato che le elevate sollecitazioni sono particolarmente significative in prossimità dei picchi nel rivestimento grezzo di legame (vedi Figura 1). Un'indagine dettagliata ha inoltre dimostrato che le sollecitazioni possono essere ridotte al minimo adattando l'espansione termica dei picchi dello strato adesivo allo strato superiore ceramico.

La Figura 2 illustra un progetto TBC che affronta questi problemi attraverso l'uso di un rivestimento adesivo a due strati. Il primo strato del rivestimento adesivo è un tipico MCrAlX, come descritto sopra per un TBC convenzionale. Il secondo strato del rivestimento adesivo incorpora una dispersione fine di una seconda fase particellare in una matrice MCrAlX. La seconda fase deve avere un coefficiente di dilatazione termica pari o preferibilmente inferiore allo strato ceramico di zirconio stabilizzato con ittrio, deve essere stabile fino alla temperatura di utilizzo prevista, chimicamente inerte rispetto alla matrice MCrAlX e deve essere chimicamente compatibile con la scaglia di allumina cresciuta termicamente. I materiali candidati per la seconda fase includono allumina, cromo, granato di ittrio-alluminio, spinello di nichel-alluminio, ittrio, mullite e altri ossidi.

Poiché l'obiettivo è ottenere l'adattamento dell'espansione dei picchi del secondo strato alla zirconia stabilizzata con ittrio, la seconda fase del particolato deve avere dimensioni inferiori a quelle dei picchi, tipicamente inferiori a 5 μm, e deve essere ben dispersa nella matrice MCrAlX. La frazione volumetrica del particolato deve essere sufficientemente elevata da ottenere una sostanziale corrispondenza dell'espansione di picco con quella dello strato ceramico. Nel caso delle aggiunte di allumina a MCrAlX, è necessaria una frazione volumetrica di allumina pari a 0,71 per ottenere un disadattamento di espansione termica vicino allo zero. In pratica, la dilatazione termica del secondo strato deve essere bilanciata rispetto agli altri requisiti dello strato, quali duttilità e resistenza all'ossidazione.

I rivestimenti fino ad oggi sono stati spruzzati al plasma utilizzando polveri di partenza prodotte mediante lega meccanica. Il processo di lega meccanica che è stato sviluppato ha prodotto polveri di partenza spruzzate al plasma contenenti fino al 20% in volume di una dispersione fine di particelle di allumina submicroniche. La durata dello strato ceramico è stata raddoppiata per i TBC, utilizzando uno strato di legame contenente solo il 5% in volume di aggiunte di allumina. Questo aumento della durata tecnologicamente importante e ripetibile potrebbe essere utilizzato per spingere i TBC a temperature operative più elevate.