SFIDA DEL CLIENTE
Le turbine dei motori a reazione devono funzionare perfettamente in ambienti a temperature estreme, per molti anni di servizio e milioni di miglia in aria. I rivestimenti a barriera termica sono una delle tecnologie che rendono ciò possibile. Questi sottili strati di materiale ceramico conducono pochissimo calore, consentendo alle pale della turbina di resistere a temperature molto elevate e ai motori a reazione di funzionare in modo più efficiente.
La ricerca avanzata sui rivestimenti a barriera termica è attualmente in corso presso l'Università della Florida Centrale a Orlando. La scuola è un'università partner del Florida Center for Aerospace & Aero- Propulsion Technologies (FCAAP), un'organizzazione di ricerca finanziata dallo stato costituita per formare manodopera altamente qualificata e progettare nuove tecnologie per l'industria aerospaziale. Presso l'UCF, i ricercatori del Dipartimento di ingegneria meccanica, aerospaziale e dei materiali stanno studiando l'evoluzione della deformazione negli ossidi dei rivestimenti a barriera termica, ottenendo informazioni che contribuiranno a migliorare le prestazioni della turbina.
Seetha Raghavan, dottoressa di ricerca, guida un team di studenti che si occupa dell'analisi del comportamento dello strato di ossido dei rivestimenti a barriera termica sotto specifici carichi termici e meccanici. Il team impiega sia spettroscopia sia raggi X ad alta energia per acquisire misurazioni in situ di campioni sottoposti a carichi termici e meccanici. Questo approccio consente al team della dott.ssa Raghavan di osservare in maniera esatta come le ceramiche ad alta resistenza subiscano guasti in tempo reale.
In passato, l'osservazione di segnali spettrali con deformazione era limitata a una configurazione di test basata su microsonda. Tuttavia questo approccio, con i suoi limiti di spazio intrinseci, presenta sfide impegnative per l'integrazione delle attrezzature. I tentativi finalizzati a sviluppare attrezzature di carico specializzate che si adattassero allo spazio della microsonda hanno finora prodotto sistemi con intervalli di carico massimo, controllo e precisione compromessi.
Per superare questa sfida, la dott.ssa Raghavan ha deciso di utilizzare uno spettrometro Raman della Renishaw, con una sonda a fibra ottica, e di accoppiarlo con un sistema MTS, consentendo l'acquisizione precisa di dati tramite Raman/fotoluminescenza e con caricamento in situ tramite laser remoto senza contatto. Tuttavia, tutto ciò ha creato ulteriori sfide. Era necessario che i dati dello spettrometro e del sistema di caricamento interagissero, ed entrambi i flussi di dati dovevano essere mappati per sollecitazioni in tempo reale durante la compressione o la tensione.
Un'ulteriore sfida si è rivelata essere la natura delle elevate deformazioni di compressione all'interno degli ossidi degli stessi rivestimenti a barriera termica. La calibrazione dei picchi spettrali con deformazione nei test di compressione ha richiesto l'applicazione di grandi carichi su campioni di sezione trasversale relativamente piccoli di allumina policristallina. Poiché la resistenza alla compressione di questi campioni è di un ordine di grandezza superiore alla resistenza alla trazione, generare dati di alta qualità ed evitare guasti prematuri richiederebbe un'applicazione altamente uniforme e precisa dei carichi di compressione.
"Avevamo bisogno di un caricamento preciso e altamente affidabile, con un controllo superiore, in una configurazione complessa con molti altri strumenti", ha affermato la dott.ssa Raghavan.
SOLUZIONE MTS
Per soddisfare queste esigenze, la dott.ssa Raghavan ha scelto un sistema MTS Insight 50, caratterizzato da un design da tavolo a doppia colonna da 50 kN. Questo sistema fornisce un controllo ad alta risoluzione durante i carichi continui e il mantenimento del carico mentre mappe di sollecitazione automatiche vengono generate Entrambe queste caratteristiche sono fondamentali per determinare il comportamento di deformazione degli ossidi all'interno dei rivestimenti a barriera termica mediante spettroscopia.
"Abbiamo scelto il sistema MTS Insight 50 perché ci dà la possibilità di sottoporre a test le ceramiche ad alta resistenza con la spettroscopia in situ", ha affermato la dott.ssa Raghavan. "Inoltre, abbiamo l'ulteriore vantaggio di lavorare con tecnici MTS che comprendono come integrare queste configurazioni complesse".
Il telaio di carico elettromeccanico MTS Insight è azionato dal software TestWorks®, il migliore della categoria, fondamentale per soddisfare le esigenze del team UCF. Il software deve interfacciarsi perfettamente con il software dello spettrometro proprietario, oltre a garantire che i segnali spettrali vengano registrati esattamente nello stesso momento in cui vengono applicati i carichi, affinché i grafici del carico spettrale siano accurati.
"I tecnici MTS sono stati particolarmente di aiuto per far corrispondere il software TestWorks ai tempi di raccolta di dati e modificare il software per contenere le deformazioni", ha affermato la dott.ssa Raghavan. "Erano sinceramente interessati a ottenere questa nuova combinazione di strumentazione per eseguire le nostre specifiche esatte".
Anche se la strumentazione e i metodi in laboratorio sono altamente sofisticati, è importante che i controlli siano intuitivi e facili da usare.
"Gli studenti di progettazione più esperti del nostro dipartimento hanno accettato la sfida di sviluppare moduli di integrazione hardware e software per questa nuova strumentazione. L'intera soluzione MTS è stata davvero utile quando il team di progettazione più esperto ha integrato la strumentazione, in quanto non ha dovuto dedicare troppo tempo a capire il software TestWorks", ha affermato la dott.ssa Raghavan. "È davvero flessibile e l'interfaccia è semplice da usare per gli studenti. Sarà anche molto utile per le nostre lezioni in laboratorio".
VANTAGGI PER IL CLIENTE
La dott.ssa Raghavan ritiene che la ricerca che il dipartimento sta conducendo sui rivestimenti a barriera termica porterà a strumenti di caratterizzazione strutturale e dei materiali più efficaci per l'intera industria aerospaziale.
"Si tratta di una tecnologia molto eccitante, emergente", ha detto. "Queste capacità di test ci forniscono un metodo altamente sofisticato di misurazione non invasiva, che ci farà avanzare in modo significativo in termini di caratterizzazione meccanica in situ. Questo metodo mostra un forte potenziale per la valutazione in tempo reale di ceramiche ad alta resistenza e compositi di additivi in carbonio sul campo. Fornirà risultati di grande impatto per il settore aerospaziale e per il più ampio settore della scienza dei materiali".
La chiave è calibrare i picchi spettrali con carichi applicati in modo estremamente preciso e costante: tutto ciò può essere facilmente ottenuto utilizzando il software TestWorks e il sistema MTS Insight 50.
"Per il nostro laboratorio è essenziale eseguire un caricamento affidabile e altamente accurato, nonché fornire costantemente misurazioni del carico di alta qualità e ad alta risoluzione. Ecco perché abbiamo scelto di lavorare con MTS."
Oltre all'hardware di precisione, l'approccio proattivo dei tecnici MTS ha consentito al laboratorio di creare una soluzione di test efficace in modo rapido e semplice.
"I tecnici MTS erano entusiasti del nostro progetto", ha affermato la dott.ssa Raghavan. "Sono stati davvero intraprendenti nell'aiutarci a capire di cosa avessimo bisogno per questa applicazione di test, unica nel suo genere. Abbiamo parlato a lungo dell'integrazione prima di acquistare qualsiasi prodotto MTS, e MTS ha persino parlato direttamente con il produttore del sistema di spettroscopia riguardo la compatibilità del software. Hanno fatto ogni sforzo per aiutarci a raggiungere i nostri obiettivi. Insieme, ci stiamo spingendo con successo oltre i limiti di ciò che è possibile nella caratterizzazione dei materiali non invasivi".
