Con oltre 25 anni di esperienza nelle prove sui materiali, nella metallurgia e nell'ingegneria dei sistemi, lo scienziato dello staff di MTS, il Dr. Erik Schwarzkopf, porta una competenza unica nei progetti dei clienti. In questa Q&A, discute le sfide e i trade-off inerenti a diversi tipi di prove sui materiali ad alta temperatura.
D: Da dove deriva questa necessità di misurare le proprietà dei materiali a temperature elevate?
R:I progettisti di velivoli, automobili e sistemi di generazione di energia ultra efficienti necessitano di materiali con rapporti resistenza/peso più elevati, oltre a materiali in grado di resistere a temperature di esercizio più elevate per periodi di tempo più lunghi. In entrambi i casi, l'obiettivo è lo stesso: l'efficienza del combustibile.
D: Perché questo tipo di prova è così complicato?
R: "Temperatura elevata" significa cose diverse per ricercatori diversi. In generale, pensiamo a tre distinti intervalli di temperatura per i materiali che hanno i più alti rapporti resistenza-peso. Il primo è per i compositi a matrice polimerica, o PMC, da 200°C a 500°C. Il secondo è per i metalli, da 800°C a 1000°C. Il terzo è per i compositi a matrice ceramica, o CMC, che vengono testati fino a 1500°C. In ogni gamma, ci sono trade-off che gli ingegneri collaudatori devono considerare con molta attenzione per eseguire le prove in modo efficace, misurare le proprietà dei materiali a temperature elevate e acquisire risultati di alta qualità.
D: Quali tipi di trade-off influiscono sulla precisione dei dati delle prove?
R: I problemi sorgono quando si ha a che fare con oggetti che devono toccare il campione o essere vicini al campione, quali morsetti, estensimetri, forni e camere. I problemi tendono ad essere sistemici, quindi risolvere un problema con un componente tende a sollevare problemi con un altro componente.
D: Come vengono visualizzati questi problemi correlati durante la configurazione della prova?
R: Si parte dal campione, in molti casi. I campioni PMC e CMC sono piatti e non possono essere afferrati allo stesso modo di un campione metallico tondo, filettato o a bottone. Per i PMC, raccomandiamo morsetti idraulici a cuneo, convenienti e facili da usare. I campioni PMC sono spesso fragili e la pressione uniforme dei cunei idraulici protegge le fibre nella matrice polimerica, impedendo loro di schiacciarsi, e mantiene la pressione corretta mentre la camera e la testa del cuneo si riscaldano. Questi morsetti sono relativamente grandi, quindi sono spesso abbinati a una camera ambientale più grande. La camera ambientale è tipicamente più grande dei forni necessari per le prove a temperature più elevate, ma la massa termica dei morsetti e della camera porta a temperature molto stabili.
D: Cosa succede quando si posizionano i morsetti più grandi all'interno della camera?
R: La camera più grande rende difficile l'uso degli estensimetri a contatto, che gli ingegneri collaudatori normalmente utilizzerebbero in queste applicazioni. Con una camera più piccola, puoi posizionare la tecnologia di rilevamento all'esterno della camera e consentirle di tradurre il movimento dal braccio di contatto. Ma, con una camera più grande, non è possibile tradurre efficacemente quel movimento fuori dalla camera, perché il braccio diventa troppo lungo. È necessario che l'estensimetro sia all'interno della camera; tuttavia, la temperatura elevata danneggia l'elettronica sensibile.
D: Come si risolve questo problema con l'estensimetria?
R: Un modo per risolverlo è con l'estensimetria video e la correlazione di immagini digitali, che possono essere posizionate all'esterno della camera; una camera con una finestra consente di guardare all'interno e di misurare il movimento in tempo reale. Ma anche questo non è privo di complicazioni. Per illuminare il campione per la fotocamera, serve una luce all'interno della camera e, ad alcune temperature, l'illuminazione del campione (o la radiazione del corpo nero) riduce il contrasto e la precisione dell'estensimetria video. Abbiamo sviluppato un modo per utilizzare LED blu per illuminare la camera e filtri ottici per ridurre al minimo gli effetti del corpo nero e migliorare il contrasto.
D: Dati tutti questi problemi, perché non utilizzare fin dall'inizio campioni rotondi?
R:I PMC e i CMC sono generalmente progettati come componenti strutturali piatti. Anche con i metalli, spesso non è possibile ottenere una porzione di materiale sufficientemente grande per realizzare un campione rotondo, soprattutto se l'obiettivo è testare il materiale che è stato utilizzato. A volte si estrae un piccolo campione da un componente più grande; in particolare, le pale delle turbine dei motori a reazione. Le lame in grado di vedere le temperature di applicazione più elevate sono cresciute da singoli semi di cristallo con fori di raffreddamento per far passare l'aria. Il volume di queste lame, che hanno una forma complessa, non è sufficiente per creare un esemplare rotondo. Quando la spaziatura interdendritica del singolo cristallo è simile alle dimensioni del campione, il campione potrebbe agire in modo abbastanza diverso rispetto a un campione rotondo e sfuso.
D: I trade-off sono gli stessi all'interno di ogni intervallo di temperatura?
R: Affatto. Ad esempio, normalmente raccomandiamo i morsetti per alte temperature MTS per la maggior parte delle applicazioni ad alta temperatura. Ma la gamma CMC supera i 1000°C: questi morsetti inizierebbero a perdere forza. Idealmente, si vuole che il morsetto sia il più caldo possibile, in modo da ridurre al minimo la pendenza, ma non talmente caldo che esso stesso inizi a diventare morbido. Se avessi un esemplare abbastanza lungo, si potrebbero utilizzare morsetti freddi. Ma ci sono alcuni campioni che non si possono fare così lunghi, per le stesse ragioni per cui non si possono fare rotondi; inoltre, anche se si usano i morsetti freddi, si stanno introducendo gradienti più grandi, il che significa che sarà necessario eseguire più prove a causa delle variazioni in quei gradienti, il che aggiunge spese.
D: Qual è la soluzione per la presa dei campioni nell'intervallo di temperatura più elevato?
R: Abbiamo sviluppato un morsetto che viene raffreddato attivamente in due modi diversi, a seconda dell'intervallo di temperatura richiesto. Entrambi lavorano con lo stesso concetto, ossia quello di posizionare il morsetto in un'area della fornace relativamente meno calda della zona centrale. Se la zona centrale ha una temperatura di 1200°C, le parti superiore e inferiore sono più vicine a 1000°C. Con il raffreddamento attivo, il morsetto può rimanere nella parte meno calda e mantenere il campione in posizione con una pendenza accettabile. Per testare i metalli fino a 1000°C abbiamo sviluppato un morsetto moderatamente raffreddato. Per testare le CMC fino a 1500°C abbiamo un morsetto raffreddato violentemente.
D: Perché è importante lavorare con un fornitore di soluzioni che comprenda l'intera prova?
R: È importante perché ci sono poche soluzioni commerciali a disponibilità immediata per questo tipo di prove. Molti laboratori tentano di creare queste soluzioni internamente, assemblando componenti di fornitori diversi; il problema è che i trade-off sono troppo complicati. L'esperto di estensimetri potrebbe non capire come far funzionare la propria offerta attraverso una finestra o all'interno di una camera. Gli esperti di morsetti possono essere in grado di far funzionare i morsetti da freddi, ma il gradiente è così grande da mettere in discussione i risultati della prova. MTS può mettere insieme l'intera soluzione. L'esperienza nell'integrazione dei sistemi è molto preziosa per le innovative prove ad alta temperatura, poiché riduce la variabilità e consente di eseguire meno prove per ottenere risultati precisi.
