RICERCA ITALIANA     

Caratterizzazione e modellazione del comportamento meccanico ad elevata temperatura di superleghe di nichel policristalline e a cristallo singolo per applicazioni in turbine a gas ad elevate prestazioni

Università degli Studi di Cassino

Abstract

I componenti di macchina che si trovano ad operare ad elevata temperatura sono, in molti casi, soggetti all'azione combinata di sollecitazioni prodotte da carichi meccanici e da sforzi termici indotti da gradienti di temperatura o da deformazioni impedite. Queste sollecitazioni, ripetute nel tempo, danno luogo a quello che comunemente viene definito regime di fatica termomeccanica, (TMF).
La ricerca è indirizzata allo sviluppo di un impianto costitutivo che, attraverso l'elaborazione di modelli e la realizzazione di prove sperimentali appositamente progettate, sia in grado di prevedere la vita di componenti in regime di TMF. Sulla base delle competenze consolidate delle diverse unità nell'ambito della meccanica del danneggiamento, della sperimentazione in temperatura e della modellistica numerica, verranno sviluppati modelli costitutivi specifici per ognuno dei diversi meccanismi di danno che controllano il processo di TMF. In particolare per quel che riguarda il creep si provvederà ad implementare una procedura basata sul metodo della proiezione theta (theta projection method, TPM) relativamente alle superleghe di nichel nel campo di temperatura di interesse delle applicazioni industriali (750-1050°C). Questa metodologia verrà integrata con una formulazione di danno alla Kachanov già messa a punto da Bonora et al. (2001) che si è dimostrata particolarmente efficace nel prevedere il cedimento a creep in metalli policristallini e verrà adattata al caso delle leghe a cristallo singolo. Per la fatica meccanica ad elevata temperatura verrà seguito un approccio alla Manson-Coffin adattato in uno schema di tipo TPM per consentire la proiezione dei parametri del materiale rispetto alla temperatura ed agli altri parametri di influenza tra cui l'orientamento del cristallo nel caso di SC. L'effetto dell'ambiente ad elevata temperatura, ovvero dell'ossidazione, verrà modellato attraverso leggi di tipo empirico in parte disponibili in letteratura. Attraverso un'estesa campagna di prove si provvederà all'identificazione dei parametri caratteristici del materiale richiesti dal modello. In particolare si prevede la realizzazione di prove di trazione e compressione in temperatura, prove di creep su provette standard e su provette intagliate, prove di fatica isoterma e prove di TMF. Una volta identificati i parametri, il modello verrà implementato in codici agli elementi finiti commerciali ed utilizzato per la previsione di vita di palette di turbine a gas di elevate prestazioni. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Nicola BONORA Università degli Studi di CASSINO

Obiettivo del Programma di Ricerca

I componenti di macchina che si trovano ad operare ad elevata temperatura sono, in molti casi, soggetti all'azione combinata di sollecitazioni prodotte da carichi meccanici e da sforzi termici indotti da gradienti di temperatura o da deformazioni impedite. Queste sollecitazioni, ripetute nel tempo, danno luogo a quello che comunemente viene definito regime di fatica termomeccanica (thermomechanical fatigue, TMF). La durata della vita in esercizio del componente che si trova ad operare in regime di TMF è controllata principalmente dall'ampiezza di deformazione inelastica che si produce nel ciclo mentre i fenomeni di progressivo deterioramento delle proprietà meccaniche del materiale sono imputabili a tre processi di danneggiamento dominanti: la fatica meccanica ad alta temperatura, il creep e l'ossidazione. Nonostante le superleghe a base di nichel siano state appositamente sviluppate per applicazioni ad elevata temperatura, ad oggi, solo gli aspetti generali del comportamento di queste leghe in regime combinato di sforzo e temperatura sono noti, mentre gli strumenti per la previsione del comportamento del materiale nelle reali condizioni di esercizio, che consentano una trasferibilità rispetto al livello di sollecitazione, temperatura e geometria, sono ancora limitati.
L'obiettivo della ricerca è lo sviluppo di un impianto costitutivo che attraverso l'elaborazione di modelli specifici per ognuno dei processi di danneggiamento sia in grado di prevedere la vita di componenti in regime di TMF. Sulla base delle competenze delle diverse unità, consolidate nell'ambito della meccanica del danneggiamento, verranno sviluppati modelli specifici per ognuno dei meccanismi di danno indicati precedentemente. In particolare per quel che riguarda il creep si provvederà ad implementare una procedura basata sul metodo della proiezione theta (theta projection method, TPM) relativamente alle superleghe di nichel nel campo di temperatura di interesse delle applicazioni industriali (750-1050°C). Questa metodologia verrà integrata con una formulazione di danno alla Kachanov già messa a punto da Bonora et al. (2001) che si è dimostrata particolarmente efficace nel prevedere il cedimento a creep in metalli policristallini e verrà adattata al caso delle leghe a cristallo singolo. Per la fatica meccanica ad elevata temperatura verrà seguito un approccio alla Manson-Coffin adattato in uno schema di tipo TPM per consentire la proiezione dei parametri del materiale rispetto alla temperatura ed agli altri parametri di influenza tra cui l'orientamento del cristallo nel caso di SC. L'effetto dell'ambiente ad elevata temperatura, ovvero dell'ossidazione, verrà modellato attraverso leggi di tipo empirico in parte disponibili in letteratura. Attraverso un'estesa campagna di prove si provvederà all'identificazione dei parametri caratteristici del materiale richiesti dal modello. In particolare si prevede la realizzazione di prove di trazione e compressione in temperatura, prove di creep su provette standard e su provette intagliate, prove di fatica isoterma e prove di TMF. Una volta identificati i parametri, il modello verrà implementato in codici agli elementi finiti commerciali ed utilizzato per la previsione di vita di palette di turbine a gas di elevate prestazioni. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La possibilità di disporre di materiali in grado di essere performanti a temperature elevate costituisce un bisogno primario nonché strategico in molti campi industriali che vanno dalla produzione di materiali, all'industria dei trasporti, alla realizzazione di turbine a gas sia per generatori di potenza industriali sia per la propulsione aeronautica,(Gallardo et al., 2002). Per quel che riguarda i sistemi di turbine di potenza per impieghi terrestri e per la propulsione aeronautica, esistono diversi indicatori delle capacità prestazionali del sistema. L'efficienza della combustione nella produzione di potenza o di spinta è un indicatore importante ed un aumento della temperatura di combustione comporta generalmente un miglioramento dell'efficienza. Anche una riduzione della quantità di aria necessaria migliora l'efficienza in quanto si riduce il contributo di lavoro, che, nella fase di compressione dell'aria necessaria per la combustione, viene persa per il raffreddamento ed il contenimento della temperatura su i componenti più caldi. Pertanto, aumentare le temperature di funzionamento del materiale può risultare in un aumento delle prestazioni dell'intero sistema. Un altro fattore importante è l'affidabilità in servizio, definita come il tempo di funzionamento del sistema o di volo compreso tra due fasi di manutenzione successive. Aumentare la temperatura di funzionamento per i materiali si traduce, di fatto, in un incremento della vita in esercizio dell'intero sistema. Qualora queste nuove capacità prestazionali vengano considerate all'interno del processo di estensione della vita (life extension) del sistema, il generico componente, realizzato con questi nuovi materiali, sarà soggetto ad un danneggiamento minore durante la vita operativa e richiederà minori interventi di riparazione e manutenzione rispetto a leghe o materiali di prestazioni inferiori.
Nel caso di componenti di macchine rotanti, il miglioramento delle prestazioni può essere ottenuto aumentando la resistenza specifica (resistenza/densità) attraverso l'uso di materiali più resistenti e al contempo più leggeri. Nel caso di materiali più resistenti di quelli attualmente in uso nei punti maggiormente critici per sollecitazione e temperatura, è possibile ottenere una riduzione delle masse riducendo gli spessori, mentre per materiali con resistenza meccanica simile a quella dei materiali attualmente in uso ma con minore densità, è possibile ottenere una riduzione delle masse a parità di spessore. Se la massa del profilo di una paletta può essere ridotta in maniera significativa, anche gli sforzi centrifughi indotti sul rotore risulteranno essere minori consentendo la costruzione di rotori più leggeri e dimensioni ridotte con un incremento della performance in termini di rapporto spinta/peso. Lo sviluppo di materiali dedicati per le sezioni dei sistemi a turbina a più alta temperatura ha rappresentato un contributo critico nel miglioramento delle performance. In questo le superleghe a base di nichel hanno rappresentato una vera e propria rivoluzione tecnologica. L'innovazione nel processo produttivo delle superleghe a base di nichel ha consentito di passare dalle strutture isotrope di 30-40 anni fa a componenti direzionalmente solidificati (DS) policristallini o a cristallo singolo (SC) oggi commercialmente disponibili. Con il progressivo aumento della flessibilità nella composizione di queste superleghe e dell'innovazione dei processi produttivi, è stato possibile innalzare di circa 125°C il campo di temperature di funzionamento per le palette di turbina di alta pressione. Le temperature massime che oggi è possibile raggiungere si attestano, da progetto, intorno ai 1150°C mentre sono considerevolmente più elevate in corrispondenza dei rivestimenti delle barriere termiche (Thermal Barrier Coatings, TBC). Nella progettazione, la combinazione più severa di sollecitazione e temperatura, con una temperatura media di riferimento di circa 1000°C, si realizza con l'impiego di superleghe di nichel a cristallo singolo di prima e seconda generazione. Questi materiali sviluppati negli anni 70, si fondano sulla presenza di elementi quali W, Ta, Mo e Re per rinforzare le fasi  e '. La concentrazione di questi elementi è stata ulteriormente aumentata nelle leghe di terza e quarta generazione fino a rapporti percentuali in peso superiori al 20%. Queste nuove generazioni potrebbero potenzialmente consentire di raggiungere temperature di picco di circa 1500°C con medie dell'ordine di 1050°C.
La durata in esercizio di turbine a gas è limitata dalla durata dei singoli componenti che operano alle temperature più elevate. Di solito l'ugello e le palettature dello stadio primario sono sottoposte alle condizioni di esercizio più severe. Questi componenti sono soggetti ad azioni combinate e variabili nel tempo di sollecitazione e temperatura che rendono molto complesso il processo previsionale della durata effettiva. Lo stato di sollecitazione nasce dall'azione combinata di un carico meccanico centrifugo e di uno termico indotto dalla presenza di gradienti o da espansioni termiche impedite. A seconda del profilo di missione queste sollecitazioni risultano essere variabili nel tempo secondo cicli complessi. Questo processo viene di solito indicato con il termine di fatica termomeccanica e costituisce il principale fattore limitante la vita dei componenti per impieghi ad elevata temperatura. Questo scenario è poi reso ancor più complesso dalla presenza di processi di accumulo di deformazione inelastica per scorrimento viscoso e dai processi di degrado delle proprietà meccaniche del materiale per corrosione ed ossidazione indotti dall'ambiente aggressivo. La possibilità di migliorare le prestazioni di turbine a gas attraverso l'impiego di nuove generazioni di superleghe richiede lo sviluppo di adeguati modelli previsionali del comportamento del materiale in regime di fatica ad elevata temperatura, scorrimento viscoso ed ossidazione da poter essere impiegati in una progettazione avanzata. In passato, la vita di componenti soggetti a TMF sono stati investigati sperimentalmente attraverso campagne di fatica isoterma proprio a causa della difficoltà nel realizzare in laboratorio le effettive condizioni termomeccaniche cicliche a cui è soggetto il materiale in esercizio. Tuttavia, le prove di fatica isoterma non sempre sono in grado di riprodurre i processi di danno che si sviluppano in condizioni di temperatura variabile. Nelle prove di TMF, un campione è soggetto a cicli, di temperatura e deformazione meccanica desiderata, con fase differenti. Le tipologie di ciclo più rappresentative sono due: ciclo in fase (in phase, IP) in cui il raggiungimento della massima deformazione avviene alla massima temperatura, ed il ciclo fuori fase (out of phase,OP), in cui la massima deformazione si raggiunge alla temperatura minima. La deformazione totale applicata è la somma risultante della deformazione meccanica e termica. Nella sperimentazione è preferibile realizzare cicli di deformazione con ampia isteresi. Il ciclo risultante ha quindi una caratteristica forma a diamante con temperature intermedie che vengono raggiunte in corrispondenza dei massimi livelli di deformazione a trazione e compressione e deformazione nulla alle temperature massime e minime.
In presenza di TFM i meccanismi di danno prevalenti coinvolgono: danno da fatica (alto e basso numero di cicli), danno ambientale (ossidazione) e danno da creep. Questi processi possono agire indipendentemente o in maniera combinata a seconda dei materiali e delle condizioni operative del ciclo. Il danno da fatica è controllato dai processi di deformazione inelastica ciclica indotti da carichi ripetuti nel tempo mentre il danno da creep è provocato dall'accumulo di deformazioni viscoplastiche a sforzo costante. Quest'ultimo, attraverso la enucleazione e crescita di cavità a bordo grano, prima o dopo, risulterà nella formazione di cricche intergranulari. In presenza di TMF la deformazione a creep contribuisce alla formazione e propagazione di microcricche. I metalli esposti all'ambiente ad elevata temperatura sono soggetti ad ossidazione. Questo tipo di corrosione è accelerato dalla presenza di stati di sollecitazione di tensione (tensocorrosione). Durate la TMF, la presenza di ossidi fragili può accelerare la fase di enucleazione e propagazione di microcricche ed impedire la risaldatura delle facce dei difetti durante le fasi di scarico. Ad oggi , a causa della complessità dei fenomeni, non è ancora disponibile un modello comunemente condiviso per la previsione di vita in TMF. Sono stati proposti approcci diversi, tutti derivati da generalizzazioni non isoterme di modelli isotermi. Neu e Sehitoglu (1989a, 1989b) hanno proposto un modello per la fatica ad elevata temperatura esteso al caso di TMF. Questo modello incorpora l'accumulo del danno dovuto alla fatica, all'ambiente (ossidazione) ed ai processi di creep. Il danno per ciclo prodotto dai diversi processi si somma linearmente per ottenere il danno totale per ciclo. Il danno per ciclo prodotto dalla fatica meccanica è stimato sulla base di una legge alla Manson-Coffin i cui coefficienti sono determinati attraverso prove isoterme a bassa temperatura. Il danno da ossidazione è valutato sulla base di un modello di nucleazione e crescita di cricca attraverso lo strato di ossido mentre il danno da creep è espresso attraverso una legge funzione della temperatura, dello sforzo equivalente e della parte idrostatica del tensore delle sollecitazioni con differenti leggi di accumulo per la compressione e tensione. Reucket e Remy (1983) hanno proposto un modello di danno che tiene in conto delle interazioni tra fatica ed ossidazione attraverso la sovrapposizione degli effetti. Il modello si basa sulla considerazione che nel caso di TMF la parte di vita necessaria per l'enucleazione di un difetto microscopico è trascurabile rispetto alla fase di crescita. La legge di danno è derivata dalla sovrapposizione dei contributi della legge di crescita di un difetto per effetto dell'apertura dell'apice a causa dell'azione meccanica di fatica e per avanzamento dell'apice a causa dei processi di ossidazione. Remy e collaboratori (1993) hanno proposto un altro modello di danno-fatica per la TMF in cui si fa l'ipotesi che l'intera vita venga spesa dal materiale per la crescita di microcricche. L'interazione tra fatica ed ossidazione viene trattata nel modo seguente: l'esposizione ad elevata temperatura durante il ciclo di TMF ossida il materiale all'apice mentre lo sforzo massimo che si raggiunge durante le temperature intermedie dà luogo al danno da fatica nel materiale che, per effetto dell'ossidazione, si è infragilito. Il modello considera, tra l'altro, l'effetto del rapporto di carico e sembra funzionare particolarmente bene nel caso di TMF in fase con cicli a diamante. Dai et al. (1996) hanno sviluppato un modello di TMF per la previsione del rateo di crescita basato su dati di fatica isoterma. Il modello utilizza una sovrapposizione lineare dei contributi di crescita di difetti per i due meccanismi dominanti, la fatica meccanica e la crescita di cricche assistite dall'ambiente, considerati attivi alle temperature minime e massime del ciclo termico. Per quel che riguarda l'interazione creep-fatica, Manson, Halford e Hirschberg (1971) hanno proposto un modello che prende il nome di partizione del campo di deformazione (strain range partitioning, SRP). Questo approccio si basa sull'assunto che la vita a fatica del materiale in condizioni di TMF è governata dall'ampiezza di deformazione inelastica. Secondo l'approccio SRP, le possibili modalità di deformazione ciclica, ognuna delle quali può essere accoppiata ad uno specifico micromeccanismo di danneggiamento, sono quattro. Questi modi sono: PP- l'ampiezza di deformazione si considera composta da plasticità sia in tensione sia in compressione, CP – deformazione a creep in tensione e deformazione plastica in compressione, PC – deformazione plastica in trazione e creep in compressione e CC – creep in trazione e compressione. Secondo questa classificazione qualunque ciclo di fatica può essere scomposto in combinazioni di questi quattro elementi fondamentali di ciclo per i quali è possibile stabilire delle relazioni di durata secondo delle espressione alla Manson-Coffin. Quando questi modi sono presenti in un ciclo complesso gli effetti di danno ad essi associati possono essere combinati secondo una legge di interazione del danno (interaction damage rule, IDR) che definisce l'inverso della durata complessiva come la somma dei rapporti normalizzati dei diversi tipi di deformazione inelastica divisi per la rispettiva durata. Il metodo di ripartizione delle deformazioni si è dimostrato particolarmente efficace se formulato sulla ampiezza di deformazione totale (TS-SRP) estendendo il regime di previsione al campo delle piccole deformazioni isoterme e vite lunghe dove le deformazioni inelastiche sono piccole e di difficile determinazione. Questa modifica, integrata dall'introduzione di un test a due temperature, che utilizza un profilo di temperatura trapezoidale in cui la deformazione meccanica viene sovrimposta nei tratti isotermi, consente l'utilizzo del metodo a problemi generali di previsione di vita in regime di TMF.
In molte delle applicazioni in cui si realizzano le condizioni per un regime di TMF è necessario considerare gli effetti associati ai processi di accumulo del danno. Recentemente McGaw (1993) ha proposto un modello di accumulo per il danno da creep-fatica che si basa su una formulazione di tipo SRP. In questo lavoro sono proposte una serie di curve di danno per la modellazione dell'accumulo dei contributi associati ad ognuno dei quattro modi previsti nell'approccio SRP. In questo caso, ogni contributo di danno è definito secondo Miner mentre la combinazione dei contributi è descritta attraverso una ulteriore relazione di derivazione sperimentale. La novità di questo approccio consiste nel riconoscere che ciò che viene considerato come danno in un certo contesto non necessariamente lo è in altri. Ad esempio in un ciclo di tipo PP il danno è associato ad un processo di fatica classico transgranulare mentre in un ciclo di tipo CP il danno, di tipo intergranulare, è associato principalmente al creep. In ogni caso la relazione di accoppiamento dei vari contributi di danno stabilisce una relazione tra i singoli processi di danno.
Oltre a questi modelli che cercano di legare la durata ai singoli micromeccanismi di danno in letteratura sono stati proposti approcci alternativi di tipo empirico. Bernstein e collaboratori (1993) hanno sviluppato un modello per prevedere la vita a TMF di palettature di turbine a gas di tipo industriale che non distingue i singoli contributi di danno ma combina ampiezza della deformazione, tempi di sosta e effetto della tensione media secondo una relazione i cui parametri sono identificati attraverso la regressione di molteplici dati sperimentali di TMF. Zamrik e collaboratori (1996) hanno proposto un metodo basato sulla stima dell'energia del ciclo di isteresi come parametro caratterizzante lo stato di danno nel materiale.
Nonostante i numerosi modelli disponibili in letteratura sono ancora molti gli aspetti del processo di fatica termomeccanica che necessitano ulteriori approfondimenti (ad esempio il ruolo della temperatura minima e massima del ciclo, l'ampiezza del ciclo termico e di quello di deformazione meccanica, la direzione di percorrenza del ciclo di deformazione, l'effetto della deformazione media, etc). In particolare, il fenomeno del creep e l'interazione creep fatica nelle superleghe a base di nichel, sia policristalline sia a cristallo singolo, è ancor oggi fortemente carente e richiede lo sviluppo, possibilmente su base fisica, di modelli specifici in grado di garantire la trasferibilità sia rispetto al livello di sollecitazione, alla temperatura ad alla geometria. <<<