Rivestimenti termospruzzati per barriere termiche di nuova concezione

Nel progetto di Dottorato presentato è stata ideata e presentata una innovativa configurazione multistrato di TPS di questo tipo, potenzialmente idonea sia ad un’applicazione in ambito propulsivo (rivestimento di palettature di turbine, camere di combustione, ugelli), sia come protezione termica per veicoli da rientro riutilizzabili. L’articolazione concettuale del lavoro è riassunta nello schema seguente: i.) dapprima una fase preliminare volta a verificare la realizzabilità del sistema ideato; ii.) quindi una estesa campagna di produzione e caratterizzazione dei materiali componenti del sistema per valutarne le proprietà, specie al variare della temperatura; iii.) il database dei materiali così realizzato viene utilizzato per una campagna di simulazione numerica necessaria da un lato a ottimizzare la struttura del sistema, dall’altro a valutarne le prestazioni in condizioni simili a quelle di esercizio; iv.) gli output delle fasi ii e iii vengono usati per individuare, produrre e testare materiali più performanti rispetto a quelli della fase ii; v.) viene prodotto il sistema aggiornato, realizzato con il patrimonio di conoscenze teoriche, sperimentali e simulative delle fasi precedenti. Il lavoro esposto ha riguardato la progettazione e realizzazione di un sistema TPS di nuova generazione. Allo stato attuale non sono ancora presenti sistemi di questo tipo nel panorama commerciale, altre proposte, a livello di ricerca accademica, vanno nella stessa direzione, ma non sono ancora mature. La fase di caratterizzazione, quella più impegnativa in termini di tempo e di risorse economiche, si è praticamente conclusa per quanto riguarda i materiali “standard”. Alcune delle caratterizzazioni eseguite per i materiali termospruzzati (segnatamente le prove meccaniche ad alta temperatura), sono di rarissima se non di nessuna presenza in letteratura, rappresentando di per sé un discreto valore scientifico. Per alcuni componenti, come il sistema Mo-Si-B, lo studio è in una fase più arretrata, pur avendo già consentito di mettere a punto parte dei processi produttivi, preliminari alle future fasi di preparazione delle polveri e termodeposizione. Anche lo studio relativo alla realizzazione di zirconati di cerio e lantanio ha dato discreti frutti, consentendo di mettere a punto tutto il processo di realizzazione, dalle polveri commerciali, fino al rivestimento vero e proprio, consentendo anche di realizzare i campioni spessi per le prove meccaniche ad alta T. Anche in questo caso non sono tuttora disponibili sul mercato produttori di polveri idonee alla produzione di questi materiali, obbligando a realizzare, come detto, tutto il processo. Il tema più controverso dell’attività, soprattutto sperimentale, è quello relativo alla caratterizzazione del molibdeno termospruzzato: purtroppo la sua estrema suscettibilità alla ossidazione ha limitato di molto le possibilità di indagine, fra l’altro proprio il materiale candidato alla sua sostituzione è quello più indietro nella fase di sviluppo. Per quanto riguarda gli UHTC infine, non vi sono stati particolari difficoltà: entrambi i materiali sono stati gestiti senza particolari problemi e hanno consentito di portare avanti le attività previste. Si segnala il sensibile progresso in termini di attivazione di meccanismi di protezione dall’ossidazione a caldo, specialmente alle temperature più alte sperimentate (1700 °C). Infine la fase di simulazione numerica ha consentito di condurre simulazioni termomeccaniche fortemente non lineari, sia in termini di proprietà dei materiali che di dipendenza non lineare dalla temperatura. Gli output delle simulazioni hanno consentito di indirizzare la futura fase di scelta della configurazione di TPS da realizzare, portando a scartare alcune configurazioni poco performanti. Purtroppo l’affidabilità delle simulazioni è stata ancora una volta parzialmente compromessa dal molibdeno: l’impossibilità di testarlo a più alte temperature fa sì che, durante la simulazione dell’esercizio, le sue proprietà meccaniche siano probabilmente sottostimate in termini di duttilità e capacità di plasticizzazione, portando il resto del sistema ad uno stato di sollecitazione molto intenso. Questo ha un notevole impatto sulla valutazione dello stato tensionale, anche perché è proprio lo strato metallico di molibdeno quello deputato ad attenuare le sollecitazioni all’interno del materiale.