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 >>>

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 >>>

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 >>>