POLITECNICO DI BARI

Dipartimento di Meccanica, Matematica e Management _______________________________________________

Ingegneria meccanica Laurea Specialistica

Progetto Tecnologia Meccanica II

MATERIALI E LAVORAZIONI DI BRUCIATORI E LORO COMPONENTI IN CAMPO AERONAUTICO

STUDENTE: Fabio Antonio De Benedittis

Mat.543766

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INDICE 1. Introduzione--------------------------------------------------------------------------------------------pag.3

2. I Materiali ------------------------------------------------------------------------------------------------pag.7 2.1 Superleghe ----------------------------------------------------------------------------------------pag.8 2.2 Superleghe base nickel --------------------------------------------------------------------------pag.9 2.3 Superleghe base cobalto -----------------------------------------------------------------------pag.19 2.4 Leghe di Titanio---------------------------------------------------------------------------------pag.21 2.5 Materiali Ceramici e Compositi a matrice ceramica (CMC) ----------------------------pag.21

3. Le Lavorazioni-----------------------------------------------------------------------------------------pag.29 3.1 Realizzazione del liner -------------------------------------------------------------------------pag.29

3.2 Foratura laser (descrizione del processo e suoi parametri)------------------------------pag.31

3.3 Foratura laser (applicazione)-----------------------------------------------------------------pag.39

3.4 Saldatura deflettori interni--------------------------------------------------------------------pag.45

4. Conclusioni ---------------------------------------------------------------------------------------------pag.47

Bibliografia -------------------------------------------------------------------------------------------------pag.48

1.INTRODUZIONE m

Gli attuali motori a combustione interna utilizzati in ambito aeronautico e aerospaziale sono motori a reazione che sfruttano lenergia termica di un propellente liquido che fuoriesce ad alta velocit, generando una notevole spinta propulsiva, in accordo con il terzo principio della dinamica di Newton. Le elevate velocit in uscita sono garantite dalle trasformazioni termodinamiche che laria comburente, aspirata dallatmosfera esterna mediante delle opportune prese dinamiche, subisce passando attraverso un compressore, dove si ha lincremento di pressione che verr poi sfruttato per lespansione dei gas combusti nella turbina in uscita. Il compressore messo in rotazione dalla stessa turbina, per cui i due elementi girano alla stessa velocit angolare. Tra il compressore e la turbina interposta la camera di combustione, detta anche bruciatore o combustore, che lorgano del motore in cui si trasforma lenergia chimica del combustibile in energia termica e cinetica del fluido propellente. Qui avviene quindi la combustione, che sostanzialmente un processo che coinvolge reazioni esotermiche di ossidazione tra due sostanze reagenti: il combustibile, che si ossida, e il comburente, che trasporta lossigeno necessario allossidazione. Durante tale processo i reagenti si trasformano in prodotti, liberando calore, fig. 1. mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm

Fig.1. Schema semplificato della sezione longitudinale di un tipico turbojet. mmmmmmmmmmmm 3

Il combustore, costituendo la sede della combustione, risulta quindi essere la parte maggiormente esposta alle sollecitazioni termiche e alle elevate pressioni che si manifestano durante tale processo. Dentro tale camera si sviluppanotemperature dellordine dei 1.000-1550 C e picchi notevoli di pressione. Risulta quindi di vitale importanza scegliere in maniera adeguata i materiali in modo che il combustore possa adeguatamente rispondere alle notevoli sollecitazioni e possa infine avere una vita pi lunga possibile. mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm Layout della camera mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm

Una configurazione tipica di combustore presentata in fig.2. La zona primaria interessata al passaggio di circa il 20% della portata di aria totale, e, di questa, il l2% animato da un moto elicoidale indotto dagli swirler, palette non parallele allasse che creano una zona interna di ricircolazione, per meglio miscelarla al combustibile. Oltre a tale zona, in fig. 2 si riconosce la presenza di altre zone caratteristiche, come la zona intermedia, dove introdotto un altro 20% di aria, immessa con lintento di ottenere una completa combustione; la zona di raffreddamento, attraversata da una portata daria che circa il 40% della totale portata immessa nel combustore, che consente la creazione di un film daria protettivo, a temperatura assai inferiore alla temperatura di fiamma, raffreddando cos le pareti del combustore; la zona di diluizione, cio la zona pi a valle del combustore, che realizza la riduzione della temperatura dei gas combusti, interessata al passaggio di una portata che solitamente si aggira intorno al 20% della portata totale.

Fig. 2 - Schema convenzionale di una camera di combustione. nnnnmmmmmnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 4

Fig. 3 - Suddivisione delle zone salienti del combustore. mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm Componenti principali del combustore

Dispositivi fondamentali sono la candela necessaria alla scintilla che innescher la combustione e liniettore, fig. 4-5, che ha il compito di introdurre il combustibile frazionandolo il piccole gocce, cos da poter favorire una pi omogenea combustione.

Fig. 4 - Schema semplificato di una sezione trasversale di combustore, con candela e relativo iniettore.

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Fig. 5 Esempio di candela per motori aeronautici per linnesco della combustione.

Da quanto si evince, appare ovvia la criticit della camera di combustione e dei suoi componenti, esposti continuamente a notevoli stress termici e inseriti in un ambiente altamente corrosivo (fig. 6).

Fig. 6 Distribuzione delle temperature allinterno del combustore. mnnnnnnnn mmmmmmmmmmmmmmm 6

Attenzione particolare posta anche sulle lavorazioni non convenzionali adottate per ottenere il prodotto finito del combustore e dei suoi componenti. Per poter, di fatto, prolungare la vita utile del motore, non solo si utilizzano materiali altamente performanti, ma per prevenire la formazione di flussi di gas combusti a temperatura elevata, si utilizza quel gi citato 40% di aria, che mediante opportuni fori realizzati sul liner, ovvero sulla superficie del cilindro che costituisce le pareti del bruciatore, refrigera queste ultime, realizzando di fatto quello che viene chiamato film-cooling, pratica oggi assai diffusa. La realizzazione dei fori riveste quindi argomento di notevole interesse ed importanza nellambito dei combustori per applicazioni aerospaziali.

2. I MATERIALI

Allo stato attuale, i materiali maggiormente utilizzati nelle sezioni pi sollecitate dei motori a reazione (combustore, iniettore, swirler) sono le superleghe a base di nichel e superleghe a base di cobalto. Rientrano nella selezione di materiali adatti ad applicazioni per motori supersonici anche le leghe di titanio, soprattutto per la loro capacit di offrire unelevata resistenza a corrosione.

Fig. 7 Utilizzo dei materiali nei motori aeronautici. Mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmf

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La selezione dei materiali per ogni componente del motore esige in ogni caso dei requisiti meccanici differenziati. Per le zone fredde sono prediletti materiali aventi alta resistenza a fatica e una buona rigidezza, mentre per le zone calde richiesta soprattutto una alta resistenza a creep. Esigenza cardine a base della scelta dei materiali, sia destinati a zone fredde che calde, comunque la minimizzazione della densit, il che significa avere elevati rapporti resistenza-peso o forza- densit (fig.8). mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm

Fig. 8 Propriet specifiche dei materiali selezionati al variare della temperatura. Si nota come le superleghe a base

di nichel possiedano una sostanziale insensibilit alle variazioni termiche. mmmmmmmmmmmmmmmmmm

2.1 Superleghe

Le superleghe sono leghe complesse, costituite prevalentemente da Nickel (o Cobalto) con laggiunta di molti altri elementi (spesso anche pi di 10), e sono caratterizzate dallavere elevate propriet meccaniche ad alte temperature. Proprio per la loro elevata resistenza ad alta temperatura, le superleghe sono ampiamente diffuse nei motori aeronautici, dagli ultimi stadi dei compressori (quando la temperatura troppo elevata per le leghe di Titanio), ai combustori e post- bruciatori (nei motori militari), alle turbine e casing motore. Le superleghe rappresentano attualmente il 40 - 50 % del peso del motore. Lutilizzo delle superleghe ha consentito negli ultimi anni un incremento e miglioramento delle prestazioni e il superamento di limiti altrimenti invalicabili. Infatti nellultimo ventennio la quantit di acciaio o leghe ferrose usata per costruire componenti aeronautici e aerospaziali stata ridotta a favore di materiali diversi a seconda delle caratteristiche richieste. Questi nuovi materiali rappresentano attualmente il miglior compromesso tra propriet meccaniche ad alta e bassa temperatura, resistenza a fatica meccanica e termica, resistenza a creep, resistenza ad ossidazione e corrosione. Alle alte temperature infatti si aggiunge anche lazione aggressiva di sostanza altamente corrosive come vapori di solfuri, oltre agli urti e allusura causati da sostanze provenienti dallesterno a velocit notevoli. nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 8

E possibile classificare le superleghe in due categorie in base allelemento dominante della lega: superleghe base nickel;

superleghe base cobalto.

2.2 Superlega base nickel

Come gi detto, una superlega a base nickel si distingue per lalto numero di elementi di lega presenti. In primo luogo presente un 10-20% di cromo, utile per aumentare la stabilit superficiale, 8% circa di alluminio e titanio, 5-10% di cobalto e piccole percentuali di zirconio, carbonio e boro. Sono presenti in piccole percentuali anche elementi quali tantalio, molibdeno, tungsteno e afnio.Mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm

Fig. 9 Principali elementi di lega e relative percentuali per superleghe nickel-base. mmmmmmmmmmmMmmmmmm E possibile raggruppare gli elementi gi citati in tre grandi classi: mmmmmmmmmmmmmmmm elementi formatori della matrice austenitica FCC ( ), quali Ni, Co, Fe, Cr, Mo e W. Mmmmmm elementi formatori della fase precipitata , quali Al, Ti, Nb, Ta, Hf. Essi formano precipitati ordinati del tipo . Mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmelementi che segregano a bordo grano, come boro e zirconio. Mmmmmmmmmmmmmmmmmmm Inoltre si possono ulteriormente distinguere gli elementi di lega in altre due categorie:

A) formatori di carburi: Cr, Mo, W, Nb, Ta, Hf. Kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkk

B) formatori di ossidi protettivi: Al e Cr. jjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjj jjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjj kkkkkKkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkk 9

La resistenza a ossidazione e corrosione garantita dalla presenza di allumina e cromia. Tuttavia lo sviluppo di leghe per alte temperature ha indotto la riduzione della concentrazione di cromo per mantenere la stabilit microstrutturale della lega e per permettere lintroduzione di altri elementi formatori di in grado di migliorare le propriet a rottura e a creep. La perdita di resistenza allossidazione in seguito alla riduzione di cromo stata compensata dallaumento della concentrazione di alluminio. Mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm Il cobalto frequentemente usato al posto del nickel: esso, oltre a produrre indurimento per soluzione, riduce la solubilit dellalluminio e del titanio nella matrice nickel-cromo con consequenziale innalzamento della temperatura del solvus. Inoltre la solubilit del carbonio nel cobalto maggiore di quella nel nickel; ci significa maggior indurimento per soluzione e una minor presenza di carburi. Il boro e lo zirconio migliorano la resistenza a creep e la duttilit, poich questi elementi segregano a bordo grano con leffetto di stabilizzarlo. Negli ultimi anni ha dato buoni risultati laggiunta di afnio che ha migliorato le propriet meccaniche a temperature basse e intermedie. Struttura cristallina

Tutte le superleghe di nichel sono costituite da una matrice -FCC, caratterizzata da elevato modulo elastico e basso coefficiente di diffusione, fattori che promuovono la resistenza al creep. Elementi in soluzione solida normalmente presenti sono cobalto e cromo, oltre i metalli refrattari tungsteno e molibdeno. Da unanalisi del diagramma di fase quaternario Ni-Co-Cr-Mo si pu notare come vi sia una banda di esistenza di composti che separa la fase austenitica ( -FCC) propria di Ni e Co da quella BCC propria di Cr e Mo. Fra questi spiccano le fasi TCP (topologically close packed) dure e fragili, quindi dannose per quanto riguarda la duttilit. Leffetto della presenza di elementi in soluzione solida sostituzionale sulle caratteristiche meccaniche della lega, ad esempio sul carico di snervamento s y, varia al variare della differenza fra il diametro dellatomo dellelemento e il diametro dellatomo di nichel. In riferimento alla figura 10, si pu notare come questa assuma il valore minore per il cobalto (1%) e maggiore per il tungsteno (13%).

Fig. 10. Elementi di lega e loro posizione nella tavola periodica. mmmmmmmmmmmmmmmmm - 10

Il modello di Mott e Nabarro, riguardo alleffetto di un soluto in una soluzione solida binaria sulle caratteristiche meccaniche, quali il carico di snervamento, afferma che c una linearit fra s y ed una quantit definita misfit corrispondente alla variazione del parametro reticolare indotta dalla presenza del soluto:

dove a0= parametro reticolare e G= modulo elastico al taglio.

Questa equazione, valida per soluzioni solide diluite, in generale sovrastima leffetto rinforzante, ma la linearit della relazione valida per molti sistemi. La conseguenza che atomi grandi quali Mo e W produrranno effetti notevoli sulle caratteristiche meccaniche.

Leffetto di indurimento dipende anche dalla posizione del soluto nella tavola periodica, ovvero dalla differenza nelle valenze dei due atomi. Laggiunta di un elemento ad elevato numero di valenza provoca un aumento della concentrazione elettronica del sistema, ovvero del rapporto fra elettroni di valenza ed atomi complessivamente presenti; ci diminuisce lenergia di stacking fault (difetti dimpilaggio dei piani atomici) del reticolo fcc, che viene rinforzato, in quanto i fenomeni di cross-slip delle linee di dislocazione sono resi pi difficili. Ci spiega il fatto che elementi poco diversi come dimensione rispetto allatomo di nichel ma ad elevato Nv, come Ti e Cr, abbiano effetti molto vistosi sulla resistenza allo snervamento del materiale.

Laggiunta di elementi aventi grande affinit per lossigeno in particolare cromo ed alluminio pu promuovere la formazione superficiale di un ossido protettivo. Nel caso del cromo si forma uno strato ricco in Cr2O3, avente bassa densit di vacanze di cationi e quindi in grado di rallentare notevolmente i processi diffusivi di elementi metallici verso linterno. A temperature molto elevate Cr2O3 si combina con lossigeno per dare CrO3, volatile. In queste condizioni pu diventare importante la formazione di allumina con maggiori caratteristiche protettive.

Meccanismi di indurimento per precipitazione, per soluzione solida, per dispersione

La precipitazione di una fase ordinata con struttura FCC e composizione A3B con A costituito principalmente da nichel e cobalto e B costituito da alluminio e titanio particolarmente importante nelle superleghe di nichel, perch ad essa si devono le buone caratteristiche meccaniche e di resistenza al creep, anche a temperature pari a 0,8Tm, intendendo per Tm la temperatura di fusione in gradi Kelvin. La fase Ni3Al possiede una struttura di tipo L12 con ordinamento a lungo raggio e fonde senza decomporsi a 1385C. Pur esistendo in un intervallo di composizione molto ristretto, questa fase pu contenere altri elementi in lega; essi modificano per sia i parametri reticolari sia le caratteristiche meccaniche e di stabilit termica della fase. Laggiunta di un terzo elemento aumenta il campo di esistenza della fase, come si pu notare dal diagramma di stato ternario relativo alla temperatura di 1100C riportato in figura 11. La sostituzione di nichel con cobalto oppure con altri elementi diminuisce inoltre la solubilit della fase nella matrice aumentando in tal modo la massima temperatura di utilizzo della lega.

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Fig. 11. - Diagrammi di esistenza della fase a 1100C.

Fig. 13 Illustrazione delle strutture ottenute per rafforzamento mediante precipitazione: (a) Struttura -BCT ( ), (b) Struttura -FCC ( . nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnNnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn

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La fase intermetallica precipita sempre in modo coerente con la matrice (fig. 14). Ci dovuto alla minima differenza fra i reticoli (mismatch), che pu variare da 0,1% fino a 1%. Bassi valori di mismatch promuovono la formazione di una fase sferoidale, mentre pi alti valori sono correlati ad una microstruttura cuboidale. mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm

Fig. 14 Coerenza del precipitato nella matrice. mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm

La fase presenta una eccezionale stabilit anche ad alte temperature ed il principale fattore di rinforzo della matrice, soprattutto per quanto riguarda il creepIn analogia a quanto avviene in altri sistemi intermetallici di struttura L12 si ha un aumento del carico di snervamento con la temperatura, raggiungendo un massimo in prossimit dei 900C. La posizione e laltezza del picco dipendono da molti fattori, fra cui la presenza di soluti in Ni3Al; il cromo diminuisce la resistenza della fase a basse temperature mentre titanio e niobio la aumentano a tutte le temperature, come si pu notare in fig. 15. mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm Lesposizione di una lega, in cui si abbia presenza di fase , a temperature superiori a 0,6Tm pu provocare lingrossamento dei precipitati L12, diminuendo di fatto la resistenza meccanica del materiale, in quanto particelle grandi ed eccessivamente spaziate interagiscono meno con le dislocazioni. Elementi quali Cr, Co, Mo e W in soluzione solida nella matrice, tendono a diminuire lingrossamento dei precipitati, riducendo il coefficiente di autodiffusione nella matrice stessa. Il Cromo ha un ulteriore effetto stabilizzante poich diminuisce la deformazione conseguente alla precipitazione coerente. Eccessive quantit in titanio o rapporti troppo elevati Ti/Al aumentano la deformazione coerente promuovendo lingrossamento della fase . Boro e zirconio sembrano non avere alcun effetto. E evidente che per migliorare il comportamento al creep dovranno essere messi in opera tutti quegli accorgimenti in grado di prevenire la crescita delle particelle di precipitato.

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Fig.15 - Effetto degli elementi in lega sul carico di snervamento di Ni3Al. mnnnnnnnnnnnnnnnnnnmmmmmmmmmmmm Uneccessiva sostituzione di Al in Ni3Al con Ti, Nb, Ta pu determinare la formazione di una fase metastabile e la sua sostituzione con una fase , esagonale compatta, la quale, precipitando al bordo grano sotto forma di strutture allungate, infragilisce la lega. I metodi adottati per evitare queste fasi sono:

un attento controllo del rapporto fra Ti e Al, che non deve assumere valori troppo elevati; laggiunta di W che ritarda la trasformazione di fase; laggiunta di B, che segregando a bordo grano ritarda la nucleazione della fase .

Lesatta natura del processo dindurimento per precipitazione non stata ancora completamente svelata, anche se molte teorie sono state proposte al riguardo. Esse fanno riferimento ai possibili meccanismi di interazione fra le dislocazioni in moto ed i campi di sforzo che circondano i precipitati, in particolar modo se questi ultimi sono coerenti. Nel meccanismo proposto da Orowan si suppone che una dislocazione che incontra sul proprio piano di scorrimento un arrangiamento lineare di particelle possa superarlo, lasciando attorno ad ogni particella un loop di dislocazione, con creazione di un campo di sforzi. Questultimo pu interagire pi efficacemente con ulteriori dislocazioni, rendendone pi difficoltoso lo scorrimento. mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm

Fig. 16. - Meccanismo di Orowan per il moto di una dislocazione attraverso un cristallo contenente precipitati.

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Fig. 17 Morfologia di una superlega base nickel caratterizzata da fase a cubetti. Mmmmm

Infine, per poter superare il problema della perdita di durezza e tenacia a temperature superiori a quelle di solubilizzazione di , ci si affida allindurimento per dispersione. Nella matrice vengono disperse particelle stabili, poco solubili in , e generalmente ceramiche, in genere toria, yttria e lantania (per lelevata stabilit termodinamica). I parametri da controllare sono la dimensione della particelle e la loro distribuzione, cio devono essere disposte in maniera uniforme e con dimensioni variabili tra 10 e 100 nm, per avere il miglior compromesso tra durezza e stabilit. Le leghe che sfruttano tale meccanismo sono dette leghe ODS e sono attualmente il materiale con le migliori caratteristiche di resistenza alle alte temperature. Il meccanismo di indurimento prevede che queste particelle disperse bloccano le dislocazioni secondo il meccanismo di Orowan, rafforzando cos il materiale.

I carburi

Il ruolo dei carburi nelle superleghe di nichel complesso. Essi nucleano prevalentemente a bordo grano, ma possono essere presenti anche allinterno del grano come strutture interdendritiche o presso difetti cristallini. Quando sono presenti al bordo grano come particelle discrete hanno un effetto benefico, rallentando lo scorrimento del bordo grano stesso durante il creep; se invece la morfologia quella di un film continuo, essi producono effetti negativi sulla duttilit della lega. La presenza di carburi metallici un aiuto importante nellincrementare durezza e resistenza, ma essenziale che si effettui un preciso controllo delle loro trasformazioni ed alterazioni conseguenti al riscaldamento. In particolare, la formazione di "film" sottili di carburi a bordo dei grani cristallini rappresenta un forte incentivo alla propagazione di cricche e rotture. Anche questo problema risolto con la microscopica aggiunta di afnio (che crea sottili particelle di carburo di afnio estremamente resistenti al calore). Esistono tre tipi di carburi, corrispondenti alle composizioni MC, M23C6 e M6C. mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm 15

I carburi primari MC hanno una struttura FCC e sono in genere presenti con una morfologia cubica; essi sono distribuiti in modo non preferenziale. Si formano durante il raffreddamento dal fuso ed hanno una stabilit a temperatura molto elevata. Gli elementi formatori sono: Hf, Ta, Co, Ti in ordine di stabilit decrescente, che possono essere sostituiti in parte da altri elementi (Mo e W). I carburi del tipo M23C6 hanno una struttura cubica complessa e si formano usualmente a bordo grano, sebbene possano essere presenti anche allinterno del grano. Essi si formano nellintervallo di temperatura 750/1000C, dalla decomposizione di carburi MC e dal carbonio residuo presente in soluzione solida. In questultimo caso possono essere presenti come lamelle parallele ai piani (110) della matrice , in modo, almeno inizialmente, coerente. Lelemento principale presente in questi carburi il cromo, ragione per cui essi si formano molto facilmente in leghe a medio alto contenuto in cromo. Mo e W sostituiscono Cr anche se in misura piuttosto modesta; una composizione tipica di questi carburi pu essere Cr21(Mo,W)2C6. Anche Ni, Co, e Fe possono sostituire il Cromo. I carburi M23C6 hanno un notevole effetto sulle propriet meccaniche delle leghe di nichel. La loro nucleazione preferenziale al bordo grano ne inibisce lo scorrimento, ma spesso la frattura intergranulare ha inizio per rottura di una particella di carburo o per decoesione dellinterfaccia carburo-matrice. Carburi M6C hanno una struttura cubica complessa simile a quella dei carburi M23C6, ma si formano a temperature leggermente superiori. Sono presenti in leghe con elevato contenuto in Mo e W. La loro composizione pu variare entro un intervallo molto ampio; si pu pensare che essi si creino quando Mo e W sostituiscono altri elementi in altri carburi. Essi nucleano preferibilmente a bordo grano ed, essendo stabili a temperature superiori rispetto ai carburi visti in precedenza, sono benfici per quel che riguarda il controllo delle dimensioni della grana cristallina. La maggior riserva di carbonio nelle superleghe operanti ad alta temperatura il carburo MC. Durante il trattamento termico e durante la vita del materiale esso si decompone liberando C e formando gli altri tipi di carburi, M23C6 e M6C). mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm

Fig. 18 Disposizione dei film di carburi M23C6 ai bordi dei grani. Mmmmmmmmmmmmmmmm

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La grana cristallina

Un importante fattore da considerare nella formulazione di superleghe la dimensione della sua grana cristallina. infatti noto che un incremento eccessivo delle loro dimensioni ha effetti deleteri sulla durezza, ma anche dimensioni insufficienti degli stessi inducono conseguenze altrettanto indesiderabili. Per controllare la creazione di questi cristalli essenziale laggiunta di piccolissime quantit di zirconio, metallo con atomi enormi (maggiori, rispetto a quelli di nichel, del 27%) che tendono, perci, a depositarsi a bordo dei grani regolandone cos la crescita. Altrettanto utili risultano i trattamenti termici per alterare la forma degli stessi, mentre la ricerca pi recente si diretta alla creazione di leghe "monocristalline", in cui cio non vi sia alcun tipo di divisione in grani, ma uniforme per tutta la sua grandezza.

Un materiale con grana fine si distingue dunque per maggiori durezza, tensione a rottura, tensione di snervamento, limite a fatica, resistenza a impatto. A temperature elevate invece si ha una maggior resistenza a creep da parte di leghe con grana pi grossolana. Mmmmmmmmmmmmmmmmmmm Un altro aspetto non trascurabile lentit della precipitazione a bordo grano: maggiore la dimensione dei grani, minore sar larea di bordograno disponibile per la precipitazione. In alcuni casi la riduzione della superfice disponibile costringe i carburi precipitati ad assumere una morfologia a film esteso, riducendo drasticamente le propriet a fatica e ad impatto, oltre che la duttilit della lega. Mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm Sicuramente laspetto pi interessante riguardo al controllo della grana cristallina e delle caratteristiche bordograno la cristallizzazione direzionale e la produzione di pezzi monocristallini. La ricerca infatti ha individuato come la maggior parte degli eventi distruttivi del materiale abbia origine a partire dal bordograno (slittamento, cavitazione, formazione di vuoti). Si inoltre notato come che tali fenomeni si verificano maggiormente nei bordigrano orientati normalmente alla direzione di applicazione dello sforzo. Pertanto per affrontare il problema, si cerca di eliminare questa tipologia di bordograno secondo due vie:

favorire la crescita lungo la direzione di massimo sforzo normale ottenendo cos una microstruttura colonnare (solidificazione direzionale, SD);

eliminare totalmente il bordograno mediante la realizzazione di pezzi monocristallini.

La SD si ottiene con uno stampo aperto su entrambe le estremit. Quella inferiore un basamento di rame non riscaldato raffreddato ad acqua, mentre da quella superiore si versa nella cavit la lega allo stato fuso. Il calore viene asportato dal rame in maniera tale che il fronte di solidificazione avanti verso lalto. Poich la velocit di solidificazione pi veloce in questa direzione che in altre, i cristalli allineati a tale direzione sono favoriti rispetto ad altri cristalli, che vengono eliminati. I parametri da tenere sotto controllo per questo processo sono la velocit di uscita dallo stampo e la temperatura nella camera riscaldata (fig.19).

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Fig. 19 Schema per la produzione di leghe solidificate direzionalmente.

Le leghe monocristalline vengono prodotte con lo stesso principio adesso descritto (fig. 20), controllando lelevata energia in gioco per la transizione da stato liquido a stato solido, Durante il processo il metallo viene fuso in un crogiolo a induzione e colato in uno stampo preriscaldato che mantenuto a sua volta in temperatura grazie ad una parete di grafite o Molibdeno che agisce da induttore (susceptor). Lo stampo, posto su una piastra raffreddata adacqua, viene mantenuto in sede per un tempo sufficiente perch si instauri la solidificazione di dentriti, come risultato del flusso di calore tra il metallo fuso e la piastra raffreddata. mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm

Fig. 20 Apparato tipico per la lavorazione di leghe monocristalline.

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Un selezionatore di cristallo, solitamente di forma elicoidale in modo che venga selezionato effettivamente un singolo grano inibisce la crescita delle dendriti pi lente permettendo ad ununica orientazione dendritica di crescere. Dopo un tempo opportuno, inizia quindi la fase di estrazione durante la quale lo stampo viene abbassato in modo controllato: passando attraverso il sistema raffreddante (o schermo termico) lo stampo, e quindi il cristallo, sottoposto ad un gradiente di temperatura tale da mantenere la crescita dendritica e la morfologia del monocristallo che si stabilita.

Fig. 21 Confronto tra le propriet delle leghe in funzione della struttura cristallina.

2.3 Superlega base cobalto

Bench di impiego pi limitato rispetto alle superleghe a base nichel o nichel-ferro, le superleghe a base cobalto ricoprono un importante ruolo nellindustria dei bruciatori. Esse presentano infatti resistenza meccanica superiore alle temperature pi elevate, maggiore resistenza alla corrosione (alle alte temperature e in presenza di solfuri), maggiore resistenza alla fatica termica e migliore saldabilit rispetto alle superleghe a base nichel. Il principale elemento di lega costituito dal cromo, presente in tenore compreso tra il 20 e il 30% peso: esso conferisce soprattutto unelevata resistenza alla corrosione, e in misura minore un indurimento per soluzione solida;una maggiore presenza di tungsteno richiesta per il vantaggio della durezza; pi molibdeno invece conferisce sia indurimento che resistenza alla corrosione, mentre in associazione col silicio accentua la resistenza allabrasione. Mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm Il principale meccanismo di indurimento la precipitazione di carburi (cubici, incoerenti rispetto alla matrice), sfruttata anche per il controllo della dimensione dei grani. Non si tratta di carburi di Co, bens di carburi di altri elementi di lega, soprattutto del tipo M23C6, in seguito alla presenza di Cr, Mo e W. In generale la struttura finale che si mira ad ottenere una fine dispersione di carburi allinterno della matrice di Co, tale da conferire la migliore resistenza a creep. 19

I trattamenti termici sono generalmente complessi; il pi semplice consiste nella precipitazione di M23C6 per invecchiamento ad una temperatura compresa tra 700 e 870C.La similitudine tra la matrice di Ni e quella di Co potrebbe suggerire anche per questultimo un meccanismo di indurimento per formazione di fasi intermetalliche analoghe a Ni3(Al, Ti). Ci per non avviene in quanto lesistenza di un intermetallico Co3Al negata dal diagramma di stato Co-Al, mentre lintermetallico Co3Ti scompare gi alla temperatura di 760C. Lassenza di fase giustifica le inferiori caratteristiche delle superleghe base Co rispetto a quelle base Ni fino alla temperatura a cui inizia a scomparire (circa 900C); al di sopra infatti la maggiore stabilit dei carburi in matrice di Co rende queste superleghe concorrenziali o addirittura migliori. Altri intermetallici Co-Cr-(Ni,Mo,W) (detti TCP, topologically close packed) sono le fasi , e di Laves, che si presentano quando sono superati i limiti di solubilit degli elementi di lega. Sono da evitare in quanto fragili e possibili iniziatori di cricche. La presenza di nichel ha come scopo principale quello di stabilizzare la struttura FCC. Alcune propriet delle superleghe al cobalto sono di seguito elencate:

A temperatura ambiente: struttura esagonale compatto

A 417C il Co passa a struttura FCC

Composizione tipica: 50-60 %Co, 20-30 %Cr, 5-10 %W, 0.1-1 %C

Rafforzamento: soluzione solida e precipitazione di carburi

Resistenza inferiore alle temperature intermedie

Resistenza meccanica e alla corrosione a caldo fino a temperature di 980-1100C

Eventuale sostituzione delle superleghe a base Ni a temperature di 750C

Colabili in aria o in Ar

Fig. 21 Confronto fra superleghe a base di cobalto e nichel e relative propriet specifiche.mmmmmmmmmmmmmmm mmmmmmmmmmmmmmm

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2.4 Leghe di Titanio

Anche il Titanio e le sue leghe rientrano nella selezione di materiali adatti ai combustori per turbojet, sebbene il loro utilizzo sia di gran lunga inferiore rispetto alle gi citate superleghe. Si ritrovano infatti leghe di titanio soprattutto negli stadi finali dei compressori, cio in prossimit della camera di combustione, dove consentono una elevata resistenza al creep. Dopo questo punto per, le temperature diventano troppo elevate per il titanio (circa 540 C), favorendo cos lutilizzo di superleghe a base nickel, poich il titanio non possiede certo le stesse propriet a elevate temperature, inoltre c una forte propensione a fenomeni di combustione del materiale, oltre che la formazione di strati di ossidante portano ad una sostanziale riduzione di duttilit e di resistenza a fatica. Le leghe di titanio maggiormente utilizzate in prossimit dei combustori (palette di compressori, dischi e rotori) appartengono alla categoria della leghe , mentre le leghe - e le leghe trovano applicazione soprattutto nellambito strutturale dei vettori aeronautici.

2.5 Materiali ceramici e compositi a matrice ceramica (CMC)

I materiali ceramici sono particolarmente interessanti per la bassa densit (inferiore a 3 g/cm3) e lelevata resistenza ad alta temperatura. Per estenderne lutilizzo, attualmente limitato a pochi componenti di alcuni motori militari, devono ancora essere risolti diversi problemi legati allelevata fragilit, la bassa resistenza alle sollecitazioni termiche, la sensibilit ai fenomeni di degrado in presenza di ossigeno e di vapore ad alta temperatura, lelevato costo di realizzazione. Tuttavia il loro utilizzo di notevole importanza, poich riescono a superare alcune problematiche che limitano talvolta le prestazioni delle superleghe.

Un problema, infatti, che affligge il nichel non legato la scarsa resistenza a corrosione e ossidazione, specialmente in presenza di zolfo e gas ad alte temperature. Per questo una superlega richiede sempre laggiunta di ingenti quantit di cromo al fine di formare uno strato di ossido (Cr2O3) protettivo sulla superficie della stessa prevenendo linfiltrazione di ossigeno o altri agenti corrosivi degli spazi intergranulari. La tendenza di questo elemento a destabilizzare la matrice e perdere le capacit protettive se iperossidato (divenendo CrO3) risultano talvolta un incentivo a sostituire almeno una parte di esso con lalluminio. Le superleghe inoltre cominciano ad essere sensibili ai fenomeni di ossidazione e corrosione a caldo quando le temperature di esercizio salgono oltre i 750 C. In questi casi la vita dei componenti pu essere notevolmente migliorata attraverso lapplicazione di rivestimenti protettivi e di barriere termiche. Si parla allora di thermal barrier coating (TBC), ovvero di un rivestimento multi-layer che viene depositato sulle zone pi esposte alle alte temperature, come i liners dei combustori. Il TBC consiste infatti di uno strato esterno di materiale ceramico che ha il compito di isolare il sottostrato metallico dalle superfici sottoposte a temperature elevate. In questa maniera si ha una riduzione della temperatura sullo strato metallico, con il conseguente indebolimento di azioni corrosive e ossidanti sul liner, mentre

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contemporaneamente si ha un adeguato abbassamento della fatica termica ciclica. Recenti studi hanno riportato come il gradiente di temperatura, usando materiale ceramico per TBC ( ), disponendolo su componenti in superlega, sia mantenuto sui 150C. Tuttavia il problema principale in questo caso il costo elevato per creare uno strato per TBC, ottenuto mediante una tecnica chiamata deposizione elettroforetica, per cui lapplicazione dei ceramici su vasta scala come strato protettivo per le superfici costituenti le pareti dei combustori rimane per adesso solo in fase sperimentale.

Volendo analizzare comunque le potenziali applicazioni dei compositi a matrice ceramica CMC, in fig. 22 si pu notare la versatilit di impiego nelle realizzazioni sia strutturali che non strutturali, con il vantaggio di una significativa riduzione di peso e riduzione dei requisiti per sistemi di raffreddamento.

Fig. 22 Potenziali applicazioni dei CMC. nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn Riguardo quindi al combustor liner, sono stati realizzati dei prototipi realizzati mediante la tecnica del filament winding, utilizzando fibre di Si-Ti-C-O con rinforzo di SiC combinate in una matrice in fibra di vetro, ottenendo cos un CFCC, acronimo di Continuous Fiber Ceramic Composite. Il combustore poi ottenuto anche con impregnazione chimica e sottoposto a successiva sinterizzazione, fig. 23.nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn

Fig. 23 Modello di combustor liner ottenuto con materiali a matrice ceramica. mmmmmm nnnnnnnnnnnnnnn . 22

Per quello che riguarda i materiali ceramici nella progettazione dei componenti per motori a combustione interna, possiamo elencare alcune particolari applicazioni. La pi antica e da sempre in fase di ulteriore perfezionamento la candela nei motori ad accensione comandata: linvolucro isolante dellelettrodo interno realizzato in ceramica; in particolare viene utilizzata lallumina che presenta ottime caratteristiche isolanti e termiche.

Pi specificamente la bassa conduttivit elettrica dei ceramici dovuta alla mancanza di elettroni liberi, mentre la ridotta espansione termica si giustifica con la scarsit di difetti nella cristallizzazione. LAllumina (Al2O3) uno tra i materiali ceramici maggiormente diffusi ed adoperati nellindustria, in particolar modo nellelettronica si sfruttano le sue propriet dielettriche. Il Carburo di Silicio (SiC) ha uneccellente resistenza alla corrosione e pu tollerare temperature fino a 1.400 C, oltre a presentare unelevata resistenza superficiale ed indifferenza nei riguardi degli shock termici, cio di brusche ed improvvise variazioni di temperatura, che rappresentano un problema per diversi tipi di ceramici. Il Nitruro di Silicio (Si3N4) resiste bene agli shock termici, inoltre leggero e resistente, anche nei riguardi del meccanismo della frattura. Viene impiegato nella realizzazione di componenti per motori per autoveicoli, per laeronautica e negli ugelli dei bruciatori. La Zirconia (ZrO2) dotata di notevoli propriet meccaniche, ma buona parte del suo interesse risiede nella caratteristica di poter formare superfici estremamente lisce. Ci risulta particolarmente apprezzabile in tutti quei casi in cui dei fluidi debbano attraversare dei condotti, come nel caso del passaggio di gas attraverso le palettature di una turbina. Nei motori aeronautici, pertanto, si adopera la Zirconia per proteggere la superficie delle palette delle turbine dalle alte temperature, perch dotata di bassa conduttivit termica.

Candele (igniters)

Unapplicazione davanguardia dei materiali ceramici riguarda, come citato inizialmente, lambito dei sistemi di iniezione aeronautici. La caratteristica principale di queste candele consiste infatti nel processo di formazione di materia allo stato di plasma sulla superficie del ceramico durante la scarica elettrica, per un campo elettrico pari a 0,5-1 kV/mm. In questa maniera si ha unelevata energia localizzata, tra 1-5 J, che permette di ottenere unefficiente combustione del gas o del liquido immesso. Lalto voltaggio necessario per lo scoccare della scintilla pari a 1-2 kV, laddove invece in altri materiali raggiunge anche i 30 kV.

Le candele attuali sono simili a quelle presenti nel campo automobilistico. Tali candele hanno due elettrodi metallici coassiali con un gap di aria variabile tra 0,2-1 mm. Lisolamento garantito da un materiale ceramico isolante e una guarnizione vetrosa tra lelettrodo e il ceramico (fig. 24). Lisolamento elettrico dipende per dal valore di tensione applicato, funzione questultimo a sua volta della pressione esistente nella camera di combustione. Se infatti la pressione sale oltre i 15 bar, questa tipologia di candele incapace a realizzare larco elettrico. Sebbene comunque tali candele abbiano una indiscutibile longevit, non sono adottate su tutti i motori aeronautici, a causa dei forti disturbi elettromagnetici dovuti agli impulsi ad alta tensione delle scariche elettriche. Mmm

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Fig. 24 Candele HV (High Voltage) a gap daria.mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm

Le candele che, a dispetto della tipologia HV appena descritta, possono determinare linizio della combustione anche a regimi di basso voltaggio, sono definiti H.E. igniters, ovvero candele ad alta energia di superficie. Questa categoria di candele permette infatti di risolvere alcune problematiche tipiche della combustione in camera per motori aeronautici quali:

ridotta capacit della candela di bruciare le gocce pi piccole del combustibile;

disturbi e problemi di isolamento da sorgenti di alto voltaggio a bordo dei vettori;

deposito dei residui della combustione.

Le candele H.E. maggiormente utilizzate si dividono in due categorie, una in cui la candela presenta un sottile layer di semiconduttore o resistore deposto su un materiale isolante agendo cos da superficie per la scarica, fig. 25, mentre lalternativa prevede lutilizzo di uno specifico materiale ceramico alla punta della candela, costituendo di fatto la fonte del processo plasmatico, fig. 26.

Fig. 25 Candela con semiconduttore mmmmmmmmmmmmm Fig.26 - Candela con gap ceramico mmmmmmmmmm Delle tre problematiche elencate precedentemente, lultima riveste maggior importanza. Il problema 24

della deposizione di particolato come prodotto della combustione determina una significativa corrosione della candela nonch una riduzione della efficienza della camera di combustione. Per prevenire lerosione e migliorare lefficienza della combustione per ogni valore di pressione e rapporto aria/combustibile sono stati selezionati pertanto materiali quali ossidi di alluminio, ossidi di titanio e pi recentemente si adoperato anche il drogaggio della superficie ceramica con vari metalli (fig. 25). La principale differenza tra questultimo tipo di candela e quello convenzionale a gap daria consiste in una significativo aumento della superficie conduttrice, cosicch la tensione necessaria alla scintilla scende sugli 1.5 kV. Tuttavia il maggior svantaggio di queste candele costituito dalla minore vita desercizio, ridotta dalla veloce erosione chimica agente sul layer conduttore. Un miglioramento significativo proviene dalladozione della candela illustrata in fig. 26, che permette di ottenere una tensione tra gli elettrodi di 1kV, quando la distanza tra gli stessi non supera 1,5 mm. Il ceramico interposto, con le sue notevoli propriet chimico-meccaniche alle alte temperature, permette cos di ridurre la corrosione e il deposito di particolato, aumentando la vita utile della candela, sempre tuttavia inferiore a quella delle candele a gap daria.

Lutilizzo di compositi a matrice ceramica costituisce invece una scelta strategica per applicazioni in futuro. Uno studio investigativo su matrici di SIALON comprendenti grani di SiC come fase conduttiva ha messo in evidenza prospettive lusinghiere. Bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb La presenza dei grani conduttivi di SiC, sebbene vari tra il 50-70% in termini di frazione volumetrica, tuttavia controbilanciata dalla presenza di microporosit, che abbassano di molto la conduttivit globale del materiale (1.5x S/cm). Un miglioramento della conduttivit pu per essere conseguito osservando i fenomeni che si manifestano in un materiale ceramico composito generico, per esempio avente una matrice a base vetrosa e rinforzo a base di grani di nickel. In questo caso la conducibilit di questo, come di gran parte dei materiali compositi ceramici, dipendente dal manifestarsi di fenomeni di filtrazione elettrica: sotto leffetto di un campo elettrico di notevole intensit, si instaura un regime ohmico che consente un efficace passaggio di corrente. Lalto voltaggio, infatti, favorisce lapertura di molti tunnel conduttivi (considerando tuttavia una distanza ottimale tra i grani). Si ottiene allora una superficie che diventa attiva nellemissione di elettroni. Per unapplicazione appropriata sulle candele, il materiale composito deve presentare valori di conduttivit elettrica compresi in una ristretta regione dipendente dalla frazione volumetrica dellelemento conduttore (in questo caso, di nickel, come si pu vedere in fig. 27). Lesistenza della regione I dovuta alla maggior distanza tra le particelle che non consente la formazione di tunnel conduttivi, mentre la regione III tipica di materiali ohmico-conduttori, in cui gran parte dellenergia ceduta dissipata per effetto Joule.

Un aspetto distintivo tipico delle candele H.E. la tensione richiesta per larco elettrico quando c un contemporaneo aumento sino a 40 bar della pressione in camera di combustione. In fig.28 si nota la differenza tra la tensione richiesta per una candela a gap daria paragonata a quella di una candela composito ceramico, al crescere della pressione.

Leffetto di emissione termoionica dovuto al passaggio della corrente sulla superficie e leffetto Joule hanno un importante ruolo, anche. Allaumentare della temperatura superficiale, lenergia

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Fig. 27 - Conduttivit in funzione del contenuto di NimmmmmmmmmmFig. 28 Andamento della tensione in funzione degli elettroni aumenta sino a che si raggiunge la situazione in cui pochi elettroni hanno energia sufficiente per fuggire alle forze di attrazione atomica, lasciando cos la superficie del materiale. Qui pertanto si forma il processo plasmatico che induce la formazione di un piccolo volume, ad alta temperatura ed alta densit ionica. Ci provoca un alto gradiente di tensione e un alto e locale riscaldamento. Tenendo conto che gli archi elettrici si ripetono ciclicamente, tutto ci porta alla formazione di crateri e crepe sulla superficie del ceramico (fig.29), e quindi ad una localizzata e ben definita zona di fusione. Lemissione esplosiva di elettroni nei pori e nelle crepe un fenomeno particolare, dovuto alla estreme condizioni a cui portato un campo emittente. Il plasma formato dagli elettroni sotto leffetto della elevata densit di corrente si deposita sulla superficie ma anche nei pori. Questo processo simile ad una esplosione microscopica, poich in un volume molto ristretto concentrata energia ad alta densit, determinando una locale degradazione del materiale.

Fig. 29 Evidenza della degradazione localizzata sulla superficie del materiale dovuta alla emissione esplosiva di elettroni.

Daltronde, il meccanismo della scintilla influenzato dalle caratteristiche superficiali del ceramico. 26

Prendendo come parametro di riferimento il fattore , identificativo della altezza del picco pi alto di rugosit del materiale, si notato come vi sia una relazione interessante tra tale parametro a il processo di scarica elettrica. E infatti fornita la seguente correlazione empirica tra il campo elettrico macroscopico e il fattore :

dove a ed sono parametri dipendenti dal materiale. Quando aumenta, il campo elettrico necessario alla scarica diminuisce, perch si riduce la distanza necessaria per avere il processo di scarica, come bene evidenziato in fig. 30.

Fig. 30 Correlazione tra il campo elettrico necessario al processo di scarica e il parametro ! mmmmmmmmmmmm

Per quanto riguarda la vita operativa delle candele, questa varia dalle 40 alle 4.000 ore, a seconda della applicazione che ne viene fatta. La durata della vita utile infatti determinata dai seguenti potenziali meccanismi:

stress termici ed erosione superficiale: gli stress termici derivano dai gradienti di temperatura dovuti sia al diverso coefficiente di conducibilit termica dei vari materiali usati, sia alle condizioni di funzionamento come la condizione di ON-OFF, che produce veloci e subitanei riscaldamenti o raffreddamenti che instaurano una rilevante differenza di temperatura tra il centro delliniettore e le superfici esterne, mentre lerosione di superficie riguarda sia il ceramico che lelettrodo, questo perch lerosione dellelettrodo espone il ceramico alle scarica elettrica, che ingenera una vero e proprio shock termico, con trasformazioni termiche e vaporizzazioni del materiale ceramico, a causa della temperature che raggiungono anche i 10000 C.

ossidazione: le principali reazioni chimiche di ossidazione che avvengono sulla superficie sono:

SiC+3/2 Si +CO ; SiC+ Si C

seguite da reazioni chimiche secondarie che determinano lequilibrio delle specie con latmosfera:

SiC+2CO Si +3C ; 2C+ 2CO.

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La principale conseguenza dellossidazione laumento di tensione necessario per la formazione della scarica.

pressione del gas: laumento di pressione restringe il plasma in un volume pi piccolo sulla superficie del ceramico, aumentandone cos la temperatura. La diretta conseguenza si ha nelle onde durto e shock termici pi pronunciati, che aumentano lazione erosiva, fig. 31. mmmmmmmmmm

Fig. 31 Immagine della superficie del ceramico dopo 500 scariche (1J) alla temperatura della camera di combustione.

energia della scarica: lenergia della scarica "si pu relazione alla tensione mediante la seguente :

"=0.5C#

dove C rappresenta la capacit del condensatore. V tuttavia non costante, ma aumenta nel tempo quando variano le caratteristiche del materiale a seguito di un utilizzo prolungato alle alte temperature. Se " viene aumentato sino ai 5 J, si nota un aumento del tasso di erosione sul ceramico del 30%, a parit di pressione.

Fig. 32 Tasso di erosione del composito ceramico sotto differenti condizioni operative.

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tipologia di motore: a seconda di come lavora il motore, si ha una differente durata della vita operativa della candela. Laddove il numero di scariche pari a 100000 solo per lavvio del motore, garantendo cos una durata di 1000 ore, se liniettore usato continuativamente, in 100 ore si possono raggiungere anche le 250000 scariche. Maggiore il numero delle scariche, maggiore sar il tasso di erosione sia dellelettrodo che del composito ceramico. Daltronde le temperature e le pressioni in gioco allavvio sono considerevolmente inferiori rispetto a quelle che si manifestano durante la combustione continua.

3. LE LAVORAZIONI

Per poter realizzare il bruciatore dotato di un sistema di raffreddamento a film daria freddo (film cooling) in genere necessario dover disporre sul liner del bruciatore stesso una serie di fori dal diametro di circa 0.020 inch (0.0508 cm), inclinati di circa 20 rispetto alla superficie, il cui spessore pu variare da 0.02 inch a 0.1 inch (0.254 cm).Un bruciatore ha approssimativamente circa 30000 fori di 0.3-0.8mm di diametro. La realizzazione dei fori predisposti al film cooling richiede quindi una lavorazione non convenzionale che sia in grado di poter eseguire la foratura monitorando e controllando in tempi relativamente brevi la formazione di ogni foro, dato che ognuno di essi realizzato mediante una operazione, discretizzata nella sua esecuzione, che necessita di correzioni in tempo reale da fornire allintera attrezzatura prima che sia realizzato il foro successivo. Inoltre i metodi di foratura convenzionale non sono competitivi perch i bruciatori sono realizzati con leghe resistenti al calore di difficile lavorabilit con metodi convenzionali; per questo motivo lindustria aerospaziale si indirizzata verso lavorazioni non convenzionali come la foratura laser, quella elettrochimica, quella per elettroerosione ed infine quella con fascio elettronico. La tecnica che attualmente riesce maggiormente a soddisfare la maggior parte di questi requisiti la foratura laser (laser drilling). Tuttavia rivestono notevole importanza investigativa anche le lavorazioni adottate per la realizzazione della forma delle pareti del combustore (il liner) e le tecniche di saldatura non convenzionali per il fissaggio dei deflettori interni di aria al liner stesso.

3.1 Realizzazione del liner Condizione fondamentale alla base della realizzazione delle pareti del combustore che la tecnica utilizzata permetta di ottenere un pezzo finito con una elevata accuratezza nella determinazione del profilo della pareti, assicurando in tal modo alte prestazioni a livello di resistenza alle deformazioni. Una piastra piana di superlega viene deformata sino ad assumere la configurazione geometrica di un semi-guscio cilindrico cavo, che viene poi saldato longitudinalmente con il suo semi-guscio corrispondente. Il risultato finale di tale operazione visibile in fig. 34.

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Fig. 33 Sequenza delle lavorazioni usualmente adottate per realizzare la camera di combustione.nnnnnnnn

Fig. 34 - Vista laterale del liner del combustore ottenuto per saldatura dei due semi-gusci.

In seguito si passa alla lavorazione di deformazione per avere una superficie del liner ondulata o corrugata, mediante la tecnica hydro-bulging, o gonfiaggio ad acqua. In tale processo, il guscio cilindrico introdotto in uno stampo divisore, disposto in una opportuna posizione per accogliere il liner da lavorare. In seguito lintroduzione di liquido incomprimibile come acqua o olio allinterno della conchiglia cilindrica e la successiva azione di spinta sul liquido per mezzo di un opportuno apparato pistonante che raggiunge pressioni di 1000-2000 atm, per un tempo di 1-10 min, permette di ottenere la deformazione voluta (fig. 35-36-37). lllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllll llllllllllllllllllll

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Fig. 35 Tecnica di hydro-bulging: 14 pistone, 15 guscio cilindrico, 14a canali di ingresso del liquido, 13 stampo

divisore, 16 liquido e relativo vettore della spinta. mnnmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm 30

Fig. 36 Configurazione ondulata del guscio. Fig. 37 Configurazione corrugata del guscio.

Una tecnica alternativa allhydro-bulging per la realizzazione di superfici corrugate od ondulate prevede la possibilit di inserire il guscio saldato in una camera cilindrica posta in rotazione ed effettuare una contemporanea operazione di pressione sul guscio mediante un rullo: uno stampo che porta la forma positiva della configurazione che si vuole realizzare permette di ottenere cos la deformazione voluta, fig. 38.

Fig. 38 Tecnica deformativa alternativa allhydro-bulging: 5 rullo premente, 6 guscio cilindrico, 7 stampo ondulato o

corrugato.

3.2 Foratura laser (descrizione del processo e suoi parametri)

La foratura laser una tecnica che permette di focalizzare un fascio laser che possiede una densit denergia sufficiente a fondere e vaporizzare il materiale di lavorazione. In funzione delle lenti di focalizzazione utilizzate, il diametro dei fori pu variare da 0.02 mm a 1.2 mm; la geometria del foro pu essere gestita agendo sulla potenza del fascio, sulle caratteristiche dellimpulso, sul tempo di iterazione e sulle lenti di focalizzazione; utilizzando una sorgente in impulsi continui, possono

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ottenersi elevate velocit di foratura. Coordinando i movimenti del pezzo con il periodo dellimpulso, possono realizzarsi anche 100 fori/sec. Il controllo delle variabili di processo permette rapidi cambi nel diametro e nella forma del foro, eliminando la necessit dei cambi utensili. Le tecniche attualmente in uso che sfruttano il fascio laser e che costituiscono quattro differenti modalit di approccio alla lavorazione sono: a singolo impulso, a percussione, a trapanatura, elicoidale, fig. 39. Limplementazione di queste quattro tecniche dipende dai requisiti riguardanti le specifiche richieste: geometriche (diametro, profondit), qualitative (precisione), e produttive (tempo di foratura). Tuttavia, nellambito della realizzazione di combustori, le pi utilizzate sono le prime due tecniche.

Fig.39 Classificazione dei processi di foratura laser.

Processo fisico In linea di principio, la foratura laser governata da un bilancio energetico tra lenergia irradiata dal fascio laser e la conduzione di calore nel pezzo, lenergia persa nellambiente e lenergia richiesta per il cambio di fase nel pezzo in lavorazione. Il fascio di energia ha una distribuzione che in foratura generalmente una Gaussiana (TEM00). Il diametro del fascio viene definito dal punto in cui lintensit del fascio si riduce del fattore e2, cos come evidenziato in figura 40. Il diametro medio del foro pu essere inferiore del diametro del fascio precedentemente definito per una serie di effetti che portano a perdite di calore; queste energie perse, fondamentalmente per conduzione nel materiale e per convenzione ed irraggiamento nellambiente, riducono lenergia a disposizione per il processo di foratura. La conduzione del calore, che avviene per effetto della differenza di temperatura tra la superficie del foro e linterno del pezzo, dipendente dalla diffusivit termica del materiale e dal tempo di interazione ti tra fascio e materiale. I due parametri influenzano la penetrazione termica , cos come evidenziato nella seguente relazione: = 2 $ $ ti Lenergia persa legata ad una serie di fenomeni fisici che avvengono durante la foratura:

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se la rimozione del materiale coinvolge la fusione, il materiale fuso si pu accumulare sul fondo e lungo le pareti del foro causando una perdita di energia per diversi motivi: (i) lenergia pu essere consumata per surriscaldare il materiale fuso accumulato al di sopra del punto di fusione; (ii) nella foratura a percussione, che la foratura realizzata con una sequenza di impulsi, il materiale fuso si pu risolidificare tra un impulso ed il successivo. In questo caso limpulso successivo utilizza una porzione di energia per fondere il materiale risolidificato. pu verificarsi la formazione del plasma sul materiale vaporizzato: Una nuvola opaca di materiale vaporizzato si forma sulla zona di interazione; questa nuvola assorbe parzialmente lenergia del fascio ed aumenta la temperatura. Laumento di temperatura pu portare alla ionizzazione e quindi alla formazione di plasma; in alcuni casi il plasma caldo agisce come una sorgente di calore secondaria che migliora il processo di foratura. Comunque la direzionalit di questa fonte di energia difficilmente controllabile e questo porta a problemi di precisione dimensionale; luso di gas inerte durante il processo pu ridurre la formazione del plasma aiutando la rimozione dei vapori metallici dalla traiettoria del fascio laser. luso di un getto di gas durante la foratura pu raffreddare per convezione il fronte di erosione. In situazioni dove si utilizza un getto di gas di alta pressione in tandem con il fascio laser, la dissipazione termica del getto pu essere significativa. In questo caso richiesta una maggiore energia per mantenere il fronte di erosione alla temperatura di fusione o vaporizzazione.

Fig. 40 Descrizione del processo fisico della foratura laser. 3.2.1 Tecniche: Singolo impulso La tecnica laser a singolo impulso costituisce la tecnica pi produttiva qualora necessaria una grande quantit di fori, generalmente ciechi. La profondit parte da un valore minimo di 2mm con una durata che va dal microsec al millisec. Sono realizzabili diametri tipici di 10-500 m, con un tasso di realizzazione di oltre 100 fori al secondo, adattando quindi la velocit di avanzamento del pezzo in lavorazione alla frequenza della radiazione laser. La maggior parte del materiale asportato allo stato fuso espulso dal foro. E richiesta una notevole stabilit dellimpulso laser, che sia in grado di permettere una buona qualit del fascio (il diametro del fascio deve corrispondere al minimo diametro del foro), valutabile attraverso laspect ratio (rapporto profondit/diametro foro) e la conicit del foro realizzato. Il processo si divide in cinque aspetti chiave, fig. 41. I . Fusione e vaporizzazione alla fine del foro. Il materiale riscaldato sino a che le temperature non formano un bagno di fusione. Il fronte di fusione muove parallelamente alla direzione del fascio laser alla velocit vp. Quando la temperatura di vaporizzazione stata raggiunta, i vapori del metallo fuso si espandono a velocit vg (alla velocit del suono nelle zone di confine). A causa della pressione variabile del vapore, il materiale fuso continuamente accelerato e fluisce a vm.

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II . Apertura del foro. Il fronte del bagno di fusione si muove radialmente perpendicolarmente allasse del raggio laser. A causa della convezione laterale, il foro si espande sino al raggio rb. III . Solidificazione del materiale fuso sulle pareti del foro. Parte del materiale espulso, mentre la solidificazione si espande radialmente, perpendicolarmente allasse del fascio laser. IV . Intercettazione del fascio laser e chiusura del foro. Lo spessore del layer contenente materiale liquido e risolidificato (recast) cresce portando alla chiusura del foro e impedendo alla radiazione laser di giungere in profondit. V. Possibile ricondensazione del vapore e del plasma sulle pareti del foro per eventuali trasferimenti di energia alla pareti. La profondit del foro e il suo diametro finale, la velocit di foratura e la velocit di fuoriuscita del bagno fuso dipendono da numerosi parametri tra i quali spiccano il materiale lavorato e il fascio laser scelto (forma, energia e durata dellimpulso, posizione di focalizzazione, tipologia di gas scelto e pressione relativa, propriet termiche e ottiche del materiale).

Fig.41 Schema dei processi chiave durante la foratura a singolo impulso. Il diametro del foro e le profondit di foratura ottenibili dipendono fortemente dalla qualit del fascio. La dipendenza dalla qualit del fascio pi significativa per energie di impulso inferiori a causa della riduzione della dispersione e linterazione della radiazione laser con il laser-plasma indotto. A parit di altri parametri, una qualit superiore del fascio si traduce in una maggiore profondit di foratura e diametri dei fori pi piccoli. La stabilit del processo di foratura per quanto riguarda la riproducibilit delle geometrie dei fori ottenuti migliorata con una maggiore qualit del fascio, con conseguente piccole variazioni di geometria da foro a foro. Unanalisi dei vari parametri del fascio laser (spaziale e temporale) e le dimensioni dei fori praticati con singolo impulso mostra che i diametri di foro variano del 5-10%. Rispetto agli altri parametri di radiazione laser, la forma dellimpulso temporale esercita la pi grande influenza sui fori risultanti: con la gran parte dellenergia allinizio dellimpulso,sono stati realizzati fori pi profondi per

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lespulsione maggiore di materiale fuso. Rispetto alla forma dellimpulso temporale, lenergia dellimpulso mostra una minore correlazione con le propriet del foro. Con basse energie di impulso, forme di impulso temporali con durate di impulso pi brevi e picchi di maggiore intensit supportati dallespulsione del fuso, si producono fori pi grandi. Lo sviluppo della geometria del foro (profondit e diametro) in singolo impulso di perforazione in funzione della forma temporale dellimpulso stato esaminato nella foratura di acciaio inossidabile e CMSX-4 (Ni lega super). Si pu osservare il blocco del foro al raggiungimento di una certa profondit (Fig. 42). Le micro-sezioni longitudinali raffigurate rappresentano ciascuna il risultato di foratura in diverse fasi di un singolo impulso, che stata interrotta in certi punti tempo utilizzando una cella di Pockels. Il foro si rastrema conicamente in basso perch la radiazione laser ombreggiata dal blocco. Fino a perforazione completa del materiale, cio, mentre il fuso viene ancora espulso attraverso lingresso del foro, la distribuzione di intensit spaziale il fattore pi importante processo per la configurazione della geometria del foro.

Fig.42- Forma temporale dellimpulso usato (a) e la corrispondente geometria del foro (b). Una geometria approssimativamente cilindrica del foro pu essere ottenuta con una opportuna scelta dei parametri laser e di processo. Entrata conica e depositi allingresso del foro possono essere evitati attraverso una distribuzione dellintensit temporalmente rettangolare dellimpulso laser. Un valore costante per la distribuzione di intensit spaziale dellimpulso laser riduce la conicit. Come risultato, i diametri di entrata e uscita del foro sono uguali. Una leggera pressione diretta coassialmente ( 0.6MPa) allinizio della perforazione e una pressione del gas maggiore poco prima della perforazione completa (>1.6MPa) riducono la formazione di gocce alluscita del foro. Lattenzione dei parametri del fascio usato qui fissato a 300 m sotto la superficie del pezzo, indipendentemente dal diametro del fuoco e luscita laser. 3.2.2 Foratura a percussione La tecnica della foratura a percussione perforazione un processo pulsato, in cui il materiale viene rimosso con impulsi consecutivi di radiazione laser. Ci consente un elevato aspect ratio da rispetto a quello derivante dallimpulso singolo (circa 50:1 rispetto al 20:1). I diametri dei fori prodotti tipicamente vanno da 100micron a 1mm, e pu essere raggiunta una profondit di 20mm. Tale tecnica viene eseguita utilizzando le radiazioni laser pulsato con durata degli impulsi variabile

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da femtosecondi a millisecondi. La durata dellimpulso, distribuzione di intensit, e forma di impulso temporale della radiazione laser hanno uninfluenza significativa sulla qualit del foro in termini di spessore del melt (rifusione), sullaspect ratio, sulla conicit. La profondit del foro aumenta con ogni impulso, cos come la pressione del gas necessaria per espellere il fuso fuori del foro cieco. La rifusione del materiale sulle pareti del foro pu aumentare fino a che si chiude il foro. Alla chiusura, la radiazione laser viene riflessa, diffratta, e assorbita, e la massa solidificata viene rifusa. Durante la perforazione a percussione, questo processo si ripete in diversi punti del foro per gli impulsi consecutivi, e il materiale viene parzialmente rimosso dal foro. Lassorbimento di radiazione laser dovuta alla chiusura melt solidificato pu provocare lespansione locale del foro (convezione laterale) e quindi una ridotta riproducibilit della geometria del foro trapanato. Influenza del gas Luso di ossigeno determina reazioni chimiche che portano ad un aumento di temperatura durante il processo di perforazione e causano ossidazione del materiale sulla parete del foro trapanato. Pu essere utilizzato azoto per il nitrato di materiale, mentre largon usato per prevenire reazioni chimiche indesiderate durante il processo. Le forze motrici che vengono generate dal flusso di gas possono portare ad una espulsione maggiore o minore del fuso. Se largon viene usato con una pressione troppo elevata, la massa fusa non completamente espulsa dal foro (Fig. 43a). In caso di ossigeno la pressione non ha alcun effetto sulla espulsione (Fig. 43b). Studi sulla formazione di spruzzi e sullinfluenza del gas di processo sul processo di perforazione hanno dimostrato che, con lossigeno come gas di processo, gli spruzzi che si verificano per un 10-20%.

Fig. 43 Fori ciechi realizzati con lo stesso numero di impulsi. (a) Incompleta espulsione del fuso dovuta alla pressione eccessiva del gas argon. (b) Nessuna influenza usando ossigeno come gas sulla espulsione del fuso. Con ossigeno come gas di processo, laccumulo di detriti intorno allingresso del foro meno adesivo di quella che si accumula in base agli altri gas e questo valido per diversi tipi di metalli. La reazione esotermica dellossigeno con il materiale fuso provoca surriscaldamento, e io fuso viene poi espulso in quantit maggiore in forma di goccioline, e solidifica in maniera turbolenta. Quando il gas di processo argon, il fuso ha un pi alto tasso di raffreddamento e solidifica in strati multipli. I gas di processo, oltre ad incidere sulla espulsione del melt, hanno anche influenza sulla velocit media di perforazione. Risultati sperimentali evidenziamo come lazoto determina una velocit media maggiore di perforazione e un diametro maggiore del foro di uscita che con lossigeno.

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Il flusso di gas non entra nel canale di foratura prima della penetrazione. solo dopo la penetrazione che aiuta ad asportare il materiale fuso fuori del canale di perforazione. Il flusso di gas rallenta e devia lateralmente il fuso espulso dal foro. Parte del materiale vaporizzato viene bloccato tra londa durto del flusso di gas e la superficie del foro. Influenza dei parametri del fascio La forma dellimpulso temporale della radiazione laser influenza la geometria del foro. La conicit pu essere ridotta modulando la radiazione laser. Un aumento del tasso di ablazione stato riscontrato utilizzando impulsi multipli. Nellapplicare tali raffiche di impulsi, il tasso di ablazione aumenta con distanze pi brevi degli impulsi e un numero maggiore di impulsi per raffica, per un livello costante di energia. Durante la perforazione a percussione a bassa ripetizione di impulsi, la rifusione costituita da pi strati (Fig. 44). Questi possono fondersi per formare un singolo strato se la frequenza di ripetizione sufficientemente alta da impedire la ri-melt tra gli impulsi. Ad alti tassi di ripetizione, la radiazione laser inoltre coadiuvata dal vapore, o plasma, generato dal precedente impulso laser. Modulando temporalmente la radiazione laser, il plasma pu essere controllato, ed possibile produrre una variet di geometrie del foro. La geometria del foro pu essere influenzata dalla radiazione laser modulata nel tempo (Fig. 45).

Fig.44 Formazione di strati di rifusione: a) un impulsi, b) due impulsi, c) tre impulsi, d) quattro impulsi.

Fig.45 Geometrie differenti prodotte con diverse modulazioni dellintensit del fascio laser.

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3.3.3 Foratura per trapanatura Il metodo per trapanazione un processo combinato di taglio e foratura taglio, di solito eseguita utilizzando un laser pulsato. La durata di ciascun impulso va dai nanosecondi ai microsecondi, a seconda del materiale, dello spessore del pezzo, della qualit richiesta, del diametro, delle propriet della superficie, dello spessore del film fuso, della zona termicamente alterata. Nella trapanatura, attraverso la perforazione a percussione di un foro passante, si ha prima il foro di base e poi il foro allargato al suo diametro finale in un movimento di taglio circolare (movimento relativo del pezzo rispetto al fascio laser). Come si pu vedere nella fig. 46 il diametro desiderato pu essere ottenuto direttamente in una fase di posizionamento singolo o in pi passaggi consecutivi di posizionamento del fascio descrivendo cerchi concentrici o una spirale. Conicit, rotondit, e rugosit del foro possono essere modificate eseguendo una ripetizione dei cicli del percorso circolare, anche in direzione inversa. Lo spessore massimo di pezzi che possibile ottenere da questo metodo simile a quello per la foratura a percussione. Tipici diametri sono 0,15-1mm. La massa fusa formata durante il movimento di taglio viene espulsa attraverso larea di uscita del foro, con lassistenza di un gas di processo che scorre coassialmente al fascio laser.

Fig. 46 Schema della lavorazione per trapanatura.

Fig.47 Esempio di lavorazione per trapanatura.

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Gas di processo La fig.48 mostra i risultati di una ricerca in merito alla tecnica di trapanatura di 2 mm di spessore di CMSX-4. Lo spessore medio del materiale fuso solidificato nei fori trapanato con azoto 30 um. Misurazioni composizione chimica del fuso solidificato mostrano una nitrazione del super lega formando una massa fusa ad alta viscosit che non pu essere rimosso correttamente dal flusso di gas di processo. Con luso di ossigeno, il fuso solidificato ha uno spessore di 20pm e mostra bolle e crepe. Lossigeno pi presente nel fuso solidificato che nel materiale. Rispetto alla nitrazione, lossidazione forma un fuso con una viscosit inferiore. Daltra parte, il fuso non viene rimosso completamente dal flusso di gas di processo. Largon risultato essere il gas di processo pi efficace nel ridurre lo spessore dello strato di rifusione (10 pm) per CMSX-4. A seconda della lunghezza di Rayleigh del fascio laser focalizzato impiegato, lintensit del laser pu non essere sufficiente per fondere il materiale ed espellerlo dal foro oltre una certa profondit. Il bagno di fusione rimane nel foro come chiusura o strato rifuso sulla parete del foro e non pu essere completamente rimosso anche dopo numerosi cicli di trapanazione. Luso di argon come gas di processo contribuisce a raffreddare il fuso e sostiene il processo di solidificazione. Luso di ossigeno come gas di processo produce alte temperature e pressioni nel foro durante la perforazione a seguito della entalpia di reazione aggiuntiva. La massa fusa altamente ossidata e ha meno tendenza ad aderire al foro di ingresso e di uscita che in fori di argon come gas di processo. Lentalpia di reazione maggiore consente forature in materiali pi spessi, a condizione che lapplicazione in questione tollera compromessi precedentemente menzionati rispetto alla qualit del foro.

Fig.48 - Influenza del gas di processo durante la trapanatura della lega CMSX-4 con uno spessore di 2mm. 3.3 Foratura laser (applicazione)

I fori per il raffreddamento vengono realizzati attraverso il liner nella configurazione corrugata/ondulata. I laser utilizzati per tale processo in genere sono laser industriali, quali % laser, YAG laser. Il fascio laser viene poi focalizzato sullarea di lavoro mediante un sistema ottico di lenti focali o un sistema di specchi focali. La foratura laser pu essere effettuata anche con un metodo a percussione, in cui il fascio posto in una posizione fissa, o con un metodo di trapanazione. Le condizioni specifiche della lavorazione sono visibili in fig.49.

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Fig. 49 Specifiche condizioni nel processo della foratura laser. kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkk Le condizioni realizzative richiedono che lasse centrale del foro sia inclinato verso il lato a valle di un angolo rispetto alla direzione radiala del guscio cilindrico, fig. 50. In questa maniera laria in ingresso diretta verso la superficie interna del liner, migliorando quindi lefficienza del raffreddamento sulla parete. In fig.51 invece evidenziata la relazione esistente tra langolo di inclinazione e la temperatura del liner. Il limite inferiore significativo dellangolo pari a 20, mentre se langolo eccede oltre i 60, la foratura laser diventa difficoltosa, per cui preferibile mantenersi nel range 20-60.

Fig. 50 Illustrazione della maniera in cui vengono realizzati i fori: 1 liner, 2 anello interno, 3 foro, 11 ondulazione, 17 fascio laser, 18 sistema di focalizzazione.

Fig. 51 Relazione tra angolo di incidenza del fascio laser e efficienza di raffreddamento sul liner.

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Un tipico combustore per motori aeronautici realizzato in generale disponendo una serie di 45 linee di fori sulla sua superficie cilindrica. Ogni linea presenta mediamente 275 fori equispaziati tra loro. In fig. 52 possibile vedere come disposta lattrezzatura necessaria alla foratura laser.

Fig. 52 Attrezzatura tipica per la foratura laser dei combustori: 1pezzo in lavorazione, 2 piattaforma rotante, 3 fascio laser, 4 ugello, 5 superficie del combustore,7 sensore capacitivo, 11 sistema di retroazione.

Si pu notare come il pezzo sia montato su una piattaforma che ruota solidalmente con il pezzo. La velocit di rotazione del pezzo, ovvero la velocit della superficie in lavorazione, sincronizzata e coordinata con la frequenza dellimpulso relativo al fascio laser, cosicch ad un singolo impulso del fascio sar correlata la realizzazione del foro immediatamente successivo. Tipiche velocit di rotazione vanno da 3 a 120 inches/min (7.6- 300 cm/min), ma preferibilmente si portati a velocit prudenziali e ottimali intorno a 60-80 inches/min ( 150-200 cm/min). Il computer provvede ovviamente alla sincronizzazione della velocit di rotazione del pezzo con la frequenza degli impulsi laser. Mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm Un fattore importante della foratura laser rappresentato dalla possibilit di monitorare costantemente la distanza ugello- superficie, e apportare le opportune correzioni alla posizione dellugello nel tentativo di mantenere tale distanza sempre costante. Poich infatti il pezzo ottenuto mediante altre intermedie lavorazioni, la superficie che presenta non mai perfettamente liscia, per cui la distanza ugello-pezzo non sar mai automaticamente costante. Se langolo del foro fosse di 90 rispetto alla superficie, questa problematica non produrrebbe alcuna infausta conseguenza, ma si visto che gli angoli tipici per queste applicazioni sono inclinati di 20, per cui la variabilit della distanza dovuta alle imperfezioni della superficie pu notevolmente influenzare laccuratezza del foro. Per esempio, per un foro inclinato di 20 rispetto alla normale della superficie, una variazione della distanza di 0.05 cm determina un errore nel posizionamento del foro successivo di 0.25 cm. Il sensore utilizzato per mantenere la costanza della

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space-off distance (SOD), generalmente un sensore capacitivo, ottico, o induttivo. Il segnale acquisito dal sensore viene inviato al computer, che elabora lerrore, inteso come differenza tra il valore attuale e quello predefinito come ottimale. In questa maniera si ha un sistema retroazionato che comanda istantaneamente la posizione che deve assumere lugello rispetto alla superficie.

Fig. 53 - Sensore posto sulla punta dellugello per valutare in tempo reale la distanza pezzo-utensile: 4 ugello, 5 punta dellugello, 6 collegamento ugello-sensore, 8 materiale ceramico isolante dellugello, 9 adattatore dellugello, 10 anello di serraggio. mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm

Le capacit del processo di foratura laser prevedono le seguenti specifiche:

tempo realizzativo: 2-3 fori al secondo; frequenza laser: 5 impulsi/sec; distanza pezzo-utensile: 2.5 mm; nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn tempo necessario per una singola linea di 180 fori: 2 minuti;

Difetti superficiali dovuti alla lavorazione nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn Oltre al gi citato problema dei difetti intriseci della superficie cilindrica del combustore, si deve tener conto anche che la stessa lavorazione di foratura produce dei difetti aggiuntivi che possono compromettere laccuratezza del foro stesso. Poich il processo di asportazione bastato sullalta energia di impatto che causa micro-fratture sulla superfici in lavorazione, le elevate energie in gioco portano alla fusione e alla vaporizzazione il materiale rimosso, ottenendo cos schizzi e spruzzi di materiale fuso, che, non completamente espulso, si deposita in prossimit delle regioni periferiche della zona di lavorazione, si risolidifica, costituendo a tutti gli effetti un difetto che minaccia lefficienza di raffreddamento, poich questa dipende dalle propriet della superficie, oltre che dalle caratteristiche dei fori. La rimozione degli spruzzi risolidificati tramite processi di finitura successivi alla foratura, come la sabbiatura abrasiva, non solo modifica le caratteristiche originali della superficie e la geometria dei fori, ma costituisce un incremento addizionale dei tempi e dei costi di lavorazione. In aggiunta, la sovrapposizione degli schizzi di due fori adiacenti pu incrementare lo spessore del difetto, determinando anche una riduzione della ripetibilit del processo di foratura laser. Infine, anche la rimozione dei difetti mediante gas inerti (azoto e argon) pu comunque causare indesiderate modifiche alla superficie e alla geometria dei fori. In sostanza, lunica via da seguire la prevenzione della formazione di bave piuttosto che la loro rimozione, selezionando in maniera opportuna i parametri del processo lavorativo. A questo proposito, sono state effettuate delle prove sperimentali, per valutare lefficacia di un rivestimento anti-bava a base

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state effettuate delle prove sperimentali, per valutare lefficacia di un rivestimento anti-bava a base di materiale composito, per fori distanti 2 mm su una superficie di tre differenti superleghe base nickel, quali IN 100, Nimonic PK 33 e Nimonic 263. Il materiale di rivestimento stato poi testato con 4 differenti gas (ossigeno, aria, azoto e argon) alla pressione di 3 bar. Il materiale composito usato per il rivestimento costituito per il 36% in volume da un rinforzo ceramico immerso in una matrice di silicone elastomerico. In seguito il materiale deposto sulla superficie esterna del combustore per uno spessore di 0.4 mm. Per ridurre i tempi di deposizione del materiale, questo viene adagiato con una temperatura controllata sui 200 C. Dopo che la foratura terminata, il composito viene rimosso o con semplice azione di sbucciamento, o mediante dissoluzione in una opportuna soluzione che rimuove specificatamente lelastomero a base di silicone. Le leghe utilizzate per le prove sono quelle attualmente pi in uso per le applicazioni su motori aeronautici. IN 100 una delle leghe pi dure e ha il vantaggio di possedere una bassa densit rispetto alle comuni leghe a base di nickel. La lega Nimonic PK 33 soprattutto usata per componenti sottoposti a elevati stress termici, mentre la lega Nimonic 263 ha una elevata resistenza e resistenza alla corrosione, correlate ad una buona formabilit e una elevata duttilit alle alte temperature, fig 54.

Fig. 54 Schema semplificato della prova condotta.

I risultati delle prove hanno evidenziato come, in assenza del rivestimento, indipendentemente dal gas utilizzato, la sovrapposizione delle bave risultata inevitabile, fig.56-A, mentre lutilizzo del rivestimento, rimosso opportunamente dopo la foratura, ha permesso di ottenere superfici completamente lisce e prive di imperfezioni e difetti localizzati, fig.56-B. Questo perch, analizzando il processo di formazione del difetto in fig. 55, si pu notare come il materiale fuso, essendo costituito della stessa sostanza del materiale da cui stato asportato, si deposita facilmente e si fonde sulla sua superficie, determinando una modifica irreversibile della stessa.

Fig. 55 Sezione di una porzione di materiale con annessa deposizione dello schizzo di materiale fuso sulla lega Nimonic 263.

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Fig. 56-A-B Fori realizzati senza strato protettivo, A, e con strato protettivo, B, su: (a) IN 100, (b) Nimonic PK 33, (c) Nimonic 263. Il gas in entrambi i casi Argon.

Pertanto, la presenza dello strato di materiale composito permette di conseguire i seguenti vantaggi:

evita il ricorso alladozione di tecniche di finitura superficiale supplementari, che modificano le caratteristiche della superficie e quelle del foro;

le caratteristiche della superficie prima e dopo la foratura sono immutate;

la durata e il numero di processi lavorativi pu essere minimizzato.

La mancata deposizione di materiale fuso sulla superficie, adottando il rivestimento, si pu spiegare tenendo conto del fatto che non c in pratica abbastanza spazio liber