DESAFIO DO CLIENTE
As turbinas a jato devem operar sem falhas dentro de ambientes de temperatura extrema, durante muitos anos de serviço e milhões de milhas no ar. Os revestimentos de barreira térmica são uma das tecnologias que tornam isso possível. Estas finas camadas de material cerâmico conduzem muito pouco calor, permitindo que as pás das turbinas resistam a temperaturas muito altas - e permitindo que os motores a jato operem de forma mais eficiente.
Uma pesquisa avançada sobre revestimentos de barreira térmica está atualmente em andamento na University of Central Florida, em Orlando. A escola é uma universidade parceira do Florida Center for Advanced Aero-Propulsion (FCAAP), uma organização de pesquisa financiada pelo estado formada para desenvolver uma força de trabalho altamente qualificada e projetar novas tecnologias para a indústria aeroespacial. Na UCF, pesquisadores do Departamento de Engenharia Mecânica, Materiais e Aeroespacial estão estudando a evolução da deformação em óxidos de revestimentos de barreira térmica, ganhando conhecimentos que ajudarão a melhorar o desempenho das turbinas.
Seetha Raghavan, Ph.D., lidera uma equipe de estudantes dedicada a analisar o comportamento da camada de óxido dos revestimentos da barreira térmica sob cargas térmicas e mecânicas específicas. A equipe utiliza tanto espectroscopia quanto raios X de alta energia para obter medições in situ de corpos de prova sob cargas térmicas e mecânicas. Esta abordagem permite que a equipe do Dr. Raghavan observe exatamente, em tempo real, como a cerâmica de alta resistência falha.
No passado, a observação de sinais espectrais com tensão era limitada a uma configuração de teste baseada em microssondas. No entanto, esta abordagem, com suas limitações de espaço inerentes, apresenta desafios exigentes de integração de equipamentos. Tentativas de desenvolver equipamentos de carga especializados que se encaixassem no espaço da microssonda têm rendido até agora sistemas com intervalos de carga máxima, controle e precisão comprometidos.
Para superar este desafio, o Dr. Raghavan decidiu empregar um espectrômetro Renishaw Raman com uma sonda de fibra ótica e acoplá-lo a um sistema MTS, permitindo a aquisição precisa de dados Raman/foto-luminescência com carga in situ através de laser remoto sem contato. No entanto, isto criou desafios adicionais. Os dados do espectrômetro e do sistema de carga tiveram que interagir, e ambos os fluxos de dados precisavam ser mapeados em tempo real durante a compressão ou tensão.
Um desafio adicional provou ser a natureza das altas tensões compressivas dentro dos óxidos dos próprios revestimentos da barreira térmica. A calibração dos picos espectrais com tensão em testes de compressão exigiu a aplicação de grandes cargas em amostras de seção transversal relativamente pequena de alumina policristalina. Como a resistência à compressão destes corpos de prova é superior a uma ordem de magnitude maior do que a resistência à tração, gerar dados de alta qualidade e evitar falhas prematuras exigiria uma aplicação altamente uniforme e precisa das cargas de compressão.
"Precisávamos de uma carga precisa, altamente confiável, com controle superior, em uma configuração complexa com vários outros instrumentos", disse o Dr. Raghavan.
SOLUÇÃO DA MTS
Para atender a essas necessidades, o Dr. Raghavan escolheu um Sistema MTS Insight 50, com uma coluna dupla, com design de mesa de 50 kN. Este sistema fornece controle de alta resolução durante cargas contínuas, assim como a manutenção da carga enquanto os mapas de tensão automáticos são gerados - ambos são fundamentais para determinar o comportamento de tensão dos óxidos dentro de revestimentos de barreira térmica usando espectroscopia.
"Selecionamos o sistema MTS Insight 50 porque ele nos dá a capacidade de testar cerâmica de alta resistência com espectroscopia in situ", disse o Dr. Raghavan. "Além disso, obtemos o benefício adicional de trabalhar com técnicos da MTS que entendem como integrar essas configurações complexas"
A estrutura de carga eletromecânica MTS Insight é acionada pelo melhor software TestWorks® da categoria, que é fundamental para atender às necessidades da equipe da UCF. O software deve fazer uma interface perfeita com software espectrômetro proprietário, bem como assegurar que os sinais espectrais sejam registrados exatamente ao mesmo tempo em que as cargas são aplicadas, para que os gráficos de carga espectral sejam precisos.
"Os técnicos da MTS foram particularmente úteis para conseguir que o software TestWorks correspondesse aos tempos de coleta de dados e modificar o software para segurar as deformações", disse o Dr. Raghavan. "Eles estavam genuinamente interessados em conseguir que esta nova combinação de instrumentos funcionasse exatamente de acordo com as nossas especificações"
Embora a instrumentação e os métodos no laboratório sejam altamente sofisticados, é importante que os controles sejam intuitivos e fáceis de usar.
"Os estudantes seniores de projeto do nosso departamento assumiram o desafio de desenvolver módulos de integração de hardware e software para esta nova instrumentação. Toda a solução MTS foi realmente útil quando a equipe sênior de projeto estava integrando a instrumentação, porque eles não tinham que gastar muito tempo para descobrir o software TestWorks", disse o Dr. Raghavan. "É realmente flexível, e a interface é simples para os estudantes operarem. Também será muito útil para nossas aulas de laboratório"
BENEFÍCIOS PARA O CLIENTE
O Dr. Raghavan acredita que a pesquisa que o departamento está conduzindo sobre revestimentos de barreira térmica levará a ferramentas mais eficazes de caracterização estrutural e de materiais para toda a indústria aeroespacial.
"Esta é uma tecnologia muito empolgante e em ascensão", disse ela. "Estas capacidades de teste nos dão um método altamente sofisticado de medição não-invasiva, que nos fará avançar significativamente em termos de caracterização mecânica in situ". Este método mostra um forte potencial para avaliação em tempo real de cerâmicas de alta resistência, bem como de compostos de aditivos de carbono no campo. Ela proporcionará resultados de alto impacto para o setor aeroespacial e para o campo mais amplo da ciência dos materiais"
A chave é calibrar os picos espectrais com cargas altamente precisas e consistentemente aplicadas, tudo isso pode ser facilmente alcançado usando o software TestWorks e o sistema MTS Insight 50.
"É essencial para nosso laboratório realizar um carregamento confiável e altamente preciso e fornecer consistentemente medições de carga de alta qualidade e de alta resolução. É por isso que escolhemos trabalhar com a MTS", disse o Dr. Raghavan.
Além do hardware de precisão, a abordagem proativa dos técnicos da MTS permitiu que o laboratório criasse uma solução de teste eficaz de forma rápida e fácil.
"Os técnicos da MTS estavam entusiasmados com nosso projeto", disse o Dr. Raghavan. "Eles foram realmente pró-ativos em nos ajudar a entender o que precisávamos para esta aplicação de testes muito singular. Falamos muito sobre integração antes de adquirir qualquer produto MTS, e a MTS até falou diretamente com o fabricante do sistema de espectroscopia sobre compatibilidade de software. Eles fizeram todos os esforços para nos ajudar a atingir nossos objetivos. Juntos, estamos ampliando com sucesso os limites do que é possível na caracterização de materiais não invasivos"
