PROCESSI TECNOLOGICI

 

Vengono descritti alcuni tra i processi tecnologici attualmente utilizzati per la produzione dei componenti di un motore turbogas aeronautico, in particolare:

 

METAL INJECTION MOULDING (MIM)

La formatura per iniezione di metalli MIM è un’innovativa e sofisticata tecnica di produzione particolarmente indicata per la produzione di componenti di dimensioni contenute e di forma piuttosto complessa.

La formatura è ottenuta con i consueti sistemi di stampaggio per iniezione, caratterizzati da alta velocità di produzione e  minima difettosità.

A differenza del processo di metallurgia delle polveri  tradizionale, il MIM si avvale di una quantità di legante elevata, polveri molto fini ed una tecnica di estrazione del legante estremamente accurata.

Le applicazioni in campo aeronautico utilizzano come materia primaria leghe Ni o Fe-Ni:  questo tipo di polvere è estremamente fine (fino a 4 mm) e si mescola molto bene al legante, quindi si stampa e sinterizza senza difficoltà.

Gli step del processo sono i seguenti:

  1. preparazione della materia prima (blending+mixing)
  2. stampaggio del componente (injection moulding)
  3. eliminazione del legante (debinding)
  4. sinterizzazione (sintering)

La preparazione della materia prima è la fase nella quale vengono miscelati in proporzione stabilita la polvere metallica e il legante (binder), in modo da ottenere un impasto omogeneo.

Le percentuali in volume dell’una o dell’altro variano secondo il tipo di polvere e del tipo di legante.

In generale con miscele di polvere 55-65% e di legante 35-45% in volume.

Il binder è in genere costituito da materiale organico oleoso o gelatinoso.

Nel caso più comune si usa un legante termoplastico che viene dapprima miscelato a secco e successivamente a caldo, alla temperatura di fusione del polimero, per ottenere una dispersione ottimale della polvere metallica nella pasta.

La percentuale in volume di polveri metalliche è tale da ottenere una miscela che ha le caratteristiche di bassa viscosità a caldo adatte allo stampaggio.

La miscela viene quindi raffreddata e ridotta in granuli.

Va rilevato che rispetto alla dimensione al verde il prodotto finito ha una dimensione notevolmente più piccola; malgrado questa trasformazione è possibile ottenere prodotti finiti calibrati e con elevato grado di accuratezze.

Lo stampaggio del pezzo avviene in maniera analoga a quanto si esegue per la produzione di articoli di materiale plastico.

Le caratteristiche della pressa sono le stesse delle presse per l’iniezione di termoplastici. Gli stampi sono realizzati in acciaio ad alta resistenza, data la velocità di abrasione del materiale da stampare, e devono essere progettati considerando le caratteristiche di scorrimento e di deformazione del feedstock.

Dopo lo stampaggio il pezzo al verde è relativamente fragile e richiede particolare attenzione per la manipolazione; la resistenza meccanica è determinata solamente dal legante.

Il pezzo a questo stadio si presenta già con la forma desiderata ma con dimensioni maggiori di circa il 20%.

Segue un processo di eliminazione del legante.

Il legante contenuto nel feedstock deve essere eliminato nella più alta percentuale possibile (almeno al 90%) senza che questa operazione determini alcun rigonfiamento, deformazioni o frattura del pezzo al verde.

Il legante residuo viene eliminato definitivamente durante la fase di sinterizzazione.

Gli sforzi fatti per abbreviare il ciclo di debinding sono andati nella direzione di incrementare nel legante la frazione volatile (bassofondente).

I procedimenti di debinding utilizzati differiscono secondo il legante impiegato.

I più utilizzati sono i seguenti:

Il programma può proseguire, senza soluzione di continuità, dalla fase di debinding alle fasi di presinterizzazione e sinterizzazione successive.

Le temperature si susseguono da quella ambiente a quella massima di sinterizzazione.

Le fasi di pre-sinterizzazione e di sinterizzazione vengono eseguite su forni ad atmosfera controllata oppure su forni a vuoto.

Alla fine della prima fase di delubrificazione il pezzo ha subito una prima riduzione dimensionale.

Nella fase di sinterizzazione  avviene la compattazione del materiale e l’acquisizione delle caratteristiche meccaniche e geometriche finali.

In questa fase la porosità presente nel pezzo viene quasi totalmente eliminata.

Si riescono, infatti, a ottenere densità finali pari a più del 95% della densità teorica del materiale.

Grazie all’alta densità finale sui componenti sinterizzati possono poi essere effettuati tutti i tipi di trattamenti (cementazioni, nitrurazione, ossidazioni, trattamenti termici) nonché di lavorazioni meccaniche, comprese le lavorazioni di lucidatura o finitura superficiale.

A differenza del processo convenzionale di metallurgia delle polveri, l'uso nel MIM di polveri extrafini permette inoltre di raggiungere densità assolutamente non ottenibili normalmente nel sinterizzato tradizionale a meno che non si ricorra a successivi trattamenti.

Tipicamente un prodotto MIM ha il 97% della densità teorica (corrispondente a porosità chiusa) mentre un sinterizzato convenzionale ha meno del 90% della densità massima (corrispondente a porosità aperta).

Cio’ comporta un notevole miglioramento delle  proprietà meccaniche in generale e della duttilità in particolare.

Inoltre il processo MIM offre un grande vantaggio: la possibilità di realizzare geometrie anche molto complesse eliminando o riducendo al minimo le operazioni di lavorazione meccanica.


 

SOLIDIFICAZIONE DIREZIONALE E MONOCRISTALLINA

Le palette della turbina del motore EJ-200 sono realizzate mediante un processo di solidificazione di monocristalli.

La solidificazione di monocristalli permette infatti di limitare le deformazioni di creep dovute alle elevate temperature di esercizio, come è evidenziato dal seguente diagramma:

Comportamento a creep di componenti realizzati con diverse tecniche

 

Per comprendere il fenomeno vengono enunciati i cinque meccanismi di deformazione plastica, rappresentati nelle mappe di Ashby :

Mappa di Ashby per il nichel

 

  1. deformazione non assistita da difetti: avviene qualora t<tth
  2. deformazione introdotta da scorrimento delle dislocazioni: avviene qualora t>tth
  3. deformazione introdotta da creep delle dislocazioni
  4. deformazione introdotta da fenomeni diffusivi di vacanze all’interno dei grani (Nabarro-Herring creep)
  5. deformazione introdotta da fenomeni diffusivi di vacanze nei bordi grano (Coble creep)

Nel caso delle palette delle turbine aeronautiche, a causa delle condizioni di esercizio critiche, le deformazioni avvengono soprattutto per creep diffusivo di vacanze all’interno dei grani e a bordo grano.

Esaminando i diagrammi che riportano le linee di isovelocità di deformazione, si evince che all’aumento della dimensione della grana cristallina compete uno spostamento di tali linee verso sforzi e temperature maggiori, ovvero è necessario sottoporre il materiale a valori di temperatura e carico maggiori per ottenere le medesime velocità di deformazione.

 

Mappe di Ashby per diverse dimensioni dei grani

 

Tali curve acquistano uno spostamento massimo verso sforzi e temperature più elevate se il componente ha struttura monocristallina.

Per dimostrare tale comportamento si ricorre al seguente modello.

Si consideri un grano di un materiale sottoposto all’azione di un carico; all’applicazione di tale sforzo avviene una diffusione di atomi dai bordi paralleli allo sforzo ai bordi ortogonali, cui compete una diffusione di vacanze in direzione opposta.

 

Modello di diffusione delle vacanze all’interno del grano

 

L’energia associata alle vacanze è pari a :

E= s b3

Dove s è lo sforzo applicato e b è il diametro atomico.

Denominando c0 la concentrazione di vacanze costituzionali (dovute all’elevata temperatura), la concentrazione di vacanze in eccesso ce è pari a:

 

 

Poiché s b3 << kT, allora è possibile espandere in serie di Taylor l’esponenziale, cosicché la precedente relazione si può riscrivere:

 

 

La velocità di creep diffusivo di Nabarro-Herring all’interno del grano di lunghezza d è pari a :

 

 

dL/dt è proporzionale al flusso di vacanze, il quale può essere ricavato mediante la legge di Fick:

 

 

Dc0 è definito coefficiente di autodiffusione D*.

Poiché dL/dt è proporzionale al flusso di vacanze, è possibile affermare che:

 

 

Dalla precedente relazione si apprende che la velocità di deformazione, nel caso del creep all’interno del grano , è inversamente proporzionale al quadrato della lunghezza del grano: dunque all’aumentare delle dimensioni del grano diminuisce la velocità di deformazione.

Si consideri il fenomeno di creep di Coble lungo il bordo grano.

Definendo lo spessore del bordo grano e d la lunghezza del grano, il rapporto tra i flussi di vacanze rispettivamente all’interno del grano ed a bordo grano è pari al rapporto tra le aree:

 

 

Dunque la velocità di deformazione per creep di Coble lungo il bordo grano è pari a:

 

 

Dunque anche in tal caso l’aumento delle dimensioni dei grani comporta una significativa diminuzione della velocità di deformazione per creep diffusivo.

In definitiva, al fine di ottimizzare le proprietà di resistenza a creep di una paletta di una turbina aeronautica, è opportuno realizzare una struttura policristallina in cui siano presenti bordi grano ortogonali allo sforzo, mediante tecnologie di solidificazione direzionale, oppure una struttura monocristallina, come nel caso dell’Eurojet EJ-200, mediante tecniche di solidificazione di monocristalli.

 

Morfologie dei grani a seconda della tecnica di solidificazione

 

La tecnologia utilizzata per ottenere la solidificazione di strutture monocristalline è quella della cera persa.

Secondo tale tecnica, viene prodotto un modello di cera di una serie di palette; in seguito viene realizzato lo stampo (crogiolo) mediante l’inserimento del modello in una sospensione (slurry) di polveri ceramiche, generalmente allumina, mullite o zircone.

Successivamente la cera viene rimossa trattando lo stampo in autoclave.

A questo punto segue il processo di solidificazione direzionale o monocristallina.

Si cola il metallo fuso nel del crogiolo all’interno di un forno riscaldato a T>Tf per irraggiamento.

Nel caso della solidificazione direzionale,  il crogiolo viene estratto mediante un pistone, in modo tale che l’orientamento dei grani sia il medesimo della direzione di estrazion.

 

Paletta di turbina realizzata con tecniche si solidificazione direzionale

 

La solidificazione di un monocristallo avviene invece mediante un selettore di grano, il quale ha il compito di interrompere la crescita di ogni grano avente orientazione differente da quella desiderata.

I selettori di grano sono caratterizzati da varie tipologie di geometria: a serpentina, ad angolo retto, ecc…

 

Paletta di turbina realizzata con tecniche si solidificazione di monocristalli


 

TECNOLOGIA BLISK

La tecnologia blisk (bladed disk= disco palettato) è stata sviluppata al fine di produrre i componenti rotorici del compressore caratterizzati da basso peso, alta resistenza meccanica e notevole stabilità aerodinamica.

 

blisk (dischi palettati)

 

Mediante tale tecnica, le palette sono prive degli attacchi convenzionali (code di rondine), dunque vengono a soccombere le problematiche legate all’intensificazione degli sforzi in corrispondenza delle basi delle palette e agli elevati momenti di inerzia dei componenti rotorici del compressore.

La produzione di blisk è ottenuta con tre differenti tecnologie:

·        Lavorazione mediante macchine utensili;

·        ECM (electrochemical machining);

·        LFW (linear friction welding) seguito da una lavorazione con macchine automatizzate ad alta velocità.

La lavorazione mediante macchine automatizzate a controllo numerico è la tecnica più semplice: il punto di partenza della lavorazione è  costituito da un disco pieno forgiato, con le fibre opportunamente orientate al fine di ottenere le migliori proprietà meccaniche possibili.

 

Lavorazione dei blisk con macchine utensili a controllo numerico

 

Tale tecnica è particolarmente adatta per i dischi in lega di titanio; per quanto concerne i dischi realizzati in superlega, tale tecnologia non è indicata, si ricorre dunque alla lavorazione per via elettrochimica ECM.

In tale processo il pezzo da lavorare viene caricato positivamente, mentre il negativo del prodotto che deve essere formato (denominato catodo) viene caricato negativamente.

Il catodo ed il pezzo che deve essere formato vengono a questo punto vengono posti a contatto con una soluzione di un elettrolita salino ad elevata pressione in una cella DC.

Il risultato del processo è un prodotto caratterizzato da ottima finitura superficiale e valori molto stretti di tolleranza.

Il processo ECM consente la produzione di componenti di forma anche molto complessa, cavi all’interno e con pareti molto sottili, dunque garantisce una notevole riduzione del peso.

 

Schema di funzionamento del processo ECM

 

I blisk del motore Eurojet EJ200 sono realizzati mediante la tecnica LFW.

Il principio di funzionamento è molto semplice: una delle parti da saldare è statica, mentre l’altra compie un moto oscillatorio lineare.

Applicando una pressione assiale sulle superfici a contatto, viene sviluppata una notevole quantità di calore d’attrito; contemporaneamente una parte  dei componenti viene persa perché fonde.

A questo punto il moto oscillatorio viene sospeso in una posizione predeterminata, e le parti a contatto si saldano: il risultato è una grana estremamente fine e un’elevata resistenza meccanica nelle zone contigue alla saldatura.

Successivamente vengono realizzati i profili delle palette mediante una lavorazione meccanica con macchine a controllo numerico ad alta velocità.

I progetti futuri prevedono la sostituzione dei blisk con i bling (bladed ring = anelli palettati) realizzati in materiali compositi a matrice di titanio, i quali garantiscono maggiore efficienza a cagione di una notevole riduzione di peso.

 

Bling in materiale composito a matrice metallica

Sviluppo dei dischi del compressore


 

SISTEMI DI RIVESTIMENTO

I sistemi di rivestimento si suddividono nelle seguenti classi:

 

Classificazione dei sistemi di rivestimento

 

Nel presente lavoro vengono esaminate le prime due classi, di maggior interesse,  ovvero i rivestimenti TBC ed i rivestimenti anti-ossidazione.

 

RIVESTIMENTI TBC

I rivestimenti termici TBC sono finalizzati a mantenere a temperature accettabili i substrati metallici; vengono trattati con tali sistemi le pareti della camera di combustione ed il primo stadio HP della turbina.

I materiali di rivestimento devono godere di buona stabilità termica, devono possedere bassa conduttività termica, buona aderenza, valori del coefficiente di espansione termica lineare confrontabili con quelli dei substrati, buona resistenza a fatica termica dovuta ai cicli di accensione e di spegnimento del motore, buona resistenza a fenomeni ossidativi e corrosivi.

Il materiale utilizzato nella maggior parte dei motori turbogas moderni è la zirconia, depositata mediante la tecnica del plasma spraying ,  in seguito brevemente descritta.

Le proprietà della zirconia non sono rispettose di una delle caratteristiche fondamentali sopra citate: infatti non gode di buona stabilità termica, dal momento che subisce le seguenti trasformazioni polimorfe:

Tamb < 1170 °C                                                monoclina

1170 °C - 2370 °C                                            tetragonale

2370 °C - 2680 °C                                            cubica

La trasformazione avviene con un aumento di volume del 9% tra fase tetragonale e fase monoclina.

Dunque un rivestimento di sola zirconia non sarebbe adatto, dal momento che le temperature di esercizio sono superiori a 1170 °C e, durante le fasi di accensione e di spegnimento, si compierebbe la transizione monoclina – tetragonale.

Per evitare tale sgradito fenomeno si ricorre alla zirconia parzialmente stabilizzata con ittria (PSZ).

La fase preponderante è cubica + tertragonale, a cui si aggiunge una frazione di monoclina.

La PSZ presenta l’interessante fenomeno della tenacizzazione per trasformazione: qualora nuclei una cricca, all’apice della fessura gli sforzi intensificati permettono di compiere la trasformazione tetragonale – monoclina con conseguente aumento di volume, il quale impedisce al difetto di propagarsi.

La zirconia presenta un ulteriore aspetto negativo, ovvero è permeabile all’ossigeno, essendo un conduttore ionico per migrazione di ioni ossigeno.

Il problema della permeabilità viene risolto mediante l’applicazione di un rivestimento di legame tra substrato e PSZ, denominato rivestimento di legame (bond coat), del tipo MCrAlY (M=Fe e/o Co e/o Ni).

All’interfaccia tra bond coat e PSZ si crea in esercizio una scaglia di allumina con funzione protettiva (cfr. rivestimenti anti-ossidazione).

Il profilo di temperature attraverso il rivestimento TBC è rappresentato nella seguente immagine:

 

Profilo di temperatura all’interno del rivestimento

 

Le strategie mirate ad ottimizzare i rivestimenti TBC sono le seguenti:

Un notevole miglioramento è ottenuto mediante la tecnica di deposizione EBPCD (electron beam physical vapour deposition) , la quale è in grado di garantire elevata adesione e soprattutto una struttura colonnare che minimizza la formazione di cricche parallele all’interfaccia tra il rivestimento ed il substrato.

 

RIVESTIMENTI ANTI-OSSIDAZIONE

E’ stato in precedenza asserito che il rendimento di un motore turbogas è proporzionale al rapporto di compressione e alla temperatura di entrata in turbina.

Tanto maggiore è la temperatura cui sono sottoposti i componenti del motore, tanto più marcata è l’aggressività dei fenomeni ossidativi sugli stessi.

Il parametro temperatura è contenuto nell’espressione analitica della costante parabolica di ossidazione:

 

Kp=K0exp(-E/kT)

La cinetica del processo ossidativo viene esplicata attraverso la teoria di Wagner.

Il punto di partenza di tale teoria è rappresentato dalla legge di Fick sulla diffusione:

 


Dove c rappresenta la concentrazione della specie diffondente, x lo spessore di diffusione e D il coefficiente di diffusione.

Separando le variabili e integrando si ottiene:

 


A livello operativo risulta interessante considerare la variazione specifica di massa DM/A , misurata mediante un’analisi termogravimetrica; tale rapporto vale:

 

DM/A=(Kpt)1/2

 

Se lo strato d’ossido che si forma non è protettivo, può causare severi danneggiamenti al componente, allora l’analisi termogravimetrica produce la seguente curva:

Curva dell’analisi termogravimetrica nel caso di un ossido non protettivo

 

Le tecnologie di rivestimento con sistemi anti-ossidazione si basano sulla deposizione sulle parti più calde del motore di materiali formatori di ossidi protettivi; la curva data dall’analisi termogravimetrica appare come segue:

 

Curva dell’analisi termogravimetrica nel caso di un ossido  protettivo

 

L’aspetto fondamentale nella progettazione di un rivestimento è la vita in esercizio.

L’ottimizzazione del rivestimento si basa sulle seguenti proprietà dello strato di ossido protettivo formato:

         stabilità termodinamica

          basse velocità di crescita e diffusività

          bassa conducibilità elettrica

          adeguata compattezza

          aderenza al substrato

          capacità di autoripararsi

Alla base delle tecnologie dei rivestimenti anti-ossidazione si pongono le leghe formatrici di allumina NiAl: l’ossidazione di una lega NiAl infatti genera uno strato di allumina compatto sulla superficie del materiale.

A seconda della percentuale  di alluminio è possibile ottenere differenti morfologie dello strato protettivo:

 

Morfologie della scaglia di allumina in funzione della concentrazione di Al

 

E' possibile aggiungere anche cromo: seconda della percentuale introdotta è possibile distinguere tre differenti situazioni:

I.NiO strati esterni+Al2O3 / Cr2O3 sottostrati;

II.Cr2O3 strati esterni+Al2O3 sottostrati;

III.Al2O3 strati esterni.

Tale fenomeno è conosciuto sotto il nome di effetto sinergico Al-Cr.

I rivestimenti anti-ossidazione si suddividono in 2 classi:

I rivestimenti diffusivi si basano sulla diffusione dell’alluminio attraverso la superlega.

Il processo diffusivo genera uno strato superficiale costituito da NiAl, CoAl e FeAl , stabilizzato grazie ad un successivo trattamento termico; lo strato di alluminuro, nel corso del processo ossidativo, forma una scaglia protettiva, compatta e non porosa di allumina.

Una successiva aggiunta di Cr e Ti aumenta ulteriormente la resistenza ad ossidazione a caldo; particelle di ittria minimizzano il fenomeno del distacco.

Qualora la scaglia di ossido protettivo si danneggi, atomi di Al diffondono dal rivestimento alla superficie per ripristinare l’ossido; ma quando il livello di Al scende a percentuali di 4-5% wt, l’ossido superficiale non può più essere ripristinato: la scaglia allora si distacca dal substrato (spalling).

Nel caso dei rivestimenti overlay invece un materiale prealligato avente  composizione di tipo MCrAlY è applicato sulla superficie del metallo.

Il processo di interdiffusione assicura solamente che il rivestimento rimanga attaccato al substrato.

Il cromo ha lo scopo di aumentare l’attività dell’alluminio: si crea dunque uno strato protettivo con caratteristiche migliori rispetto ai rivestimenti di tipo diffusivo; l’ittrio contribuisce al miglioramento della resistenza alla frammentazione della scaglia di allumina.

Le composizioni di NiCoCrAlY sono le più largamente usate per la protezione da ossidazione:il cobalto infatti migliora la resistenza all’ambiente e la duttilità del rivestimento.

Anche per quanto riguarda questa classe, nel caso di danneggiamento  atomi di Al diffondono dal rivestimento alla superficie per ripristinare l’ossido, ma quando il livello di Al cala al di sotto del livello critico, si assiste alla formazione di una scaglia di ossidi misti, i quali non garantiscono alcuna funzione protettiva.

Viene riportato un confronto tra i diversi tipi di rivestimento:

 

Vita del rivestimento a T=1200°C espressa in ore

NiAl / CoAl

100

Platino-Alluminio

250

NiCoCrAlY

> 1000

 

Viene riportata una breve descrizione delle tecnologie più utilizzate per i rivestimenti:

  1. Rivestimenti anti-ossidazione diffusivi:

Il componente ed il reagente (polveri di alluminio) sono immessi in un recipiente contenente un attivatore ed un inerte. Il sistema viene riscaldato in modo tale da formare un vapore che reagisce con il componente arricchendolo di alluminio.

Viene elaborato un vapore di composizione predeterminata, che successivamente viene fatto reagire con il pezzo.

  1. Rivestimenti TBC e anti-ossidazione  overlay:

Il fuso di un’appropriata composizione è vaporizzato sottovuoto usando un fascio concentrato di elettroni. Le parti da rivestire sono manipolate all’interno della nuvola di vapore: il rivestimento condensa sulla superficie del substrato preriscaldato.

Il processo prevede l’iniezione del materiale di rivestimento, usualmente nella forma di polvere, nel flusso del plasma che è stato creato all’interno della pistola plasma. Qui, le particelle di polvere sono fuse e accelerate nella direzione del substrato.

 

Deposizione del rivestimento  per plasma spraying