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Dai motori degli aerei ai sistemi di scarico delle automobili: quali sono le straordinarie applicazioni dei rivestimenti a barriera termica?
I rivestimenti a barriera termica (TBC) sono sistemi di materiali avanzati comunemente applicati a superfici metalliche che operano in condizioni di temperatura elevata, come le camere di combustione e le turbine dei motori a turbina a gas e i sistemi di gestione termica degli scarichi nelle automobili. Questi rivestimenti di materiale termicamente isolante, con spessori che vanno da 100 micron a 2 millimetri, isolano efficacemente dal calore, consentendo ai componenti di mantenere l'efficienza operativa e la durata nonostante i carichi termici elevati.
I rivestimenti con barriera termica possono prolungare la durata dei componenti e ridurre l'ossidazione e la fatica termica.
Con la crescente domanda di motori ad alta efficienza, che devono funzionare a temperature di esercizio più elevate e avere una migliore durata, c'è uno slancio crescente per lo sviluppo di nuovi rivestimenti di barriera termica avanzati. I requisiti dei materiali per i rivestimenti a barriera termica sono simili a quelli per gli scudi termici, ma in quest’ultima applicazione la velocità di generazione del calore è solitamente più importante.
Struttura e requisiti del rivestimento della barriera termica
Un rivestimento efficace con barriera termica deve soddisfare determinati requisiti per funzionare bene in ambienti termomeccanici difficili. Per far fronte alle sollecitazioni di dilatazione termica durante il riscaldamento e il raffreddamento, è necessaria una porosità adeguata e il coefficiente di dilatazione termica deve corrispondere a quello della superficie metallica da rivestire. Inoltre, è necessario mantenere la stabilità di fase per evitare cambiamenti significativi di volume (come quelli che si verificano durante i cambiamenti di fase). I rivestimenti barriera termica sono solitamente costituiti da quattro strati: substrato metallico, strato legante metallico, strato di ossido cresciuto termicamente (TGO) e strato superiore ceramico.
Affinché un rivestimento barriera termica possa durare, i coefficienti di dilatazione termica tra tutti gli strati devono essere ben abbinati.
Meccanismo di fallimento
I meccanismi di cedimento dei rivestimenti a barriera termica sono complessi e possono variare a seconda dell'ambiente del ciclo termico. Sebbene esistano molti meccanismi di cedimento non del tutto compresi, la crescita dell’ossido cresciuto termicamente (TGO), lo shock termico e la sinterizzazione dello strato superiore sono i tre fattori più importanti che portano al cedimento del rivestimento della barriera termica.
La crescita dello strato TGO è uno dei motivi più importanti per la perdita e il fallimento della TBC. Quando il TGO si forma con il riscaldamento, causerà uno stress di crescita compressivo correlato all'espansione del volume; durante il raffreddamento, verrà generata una deformazione del disadattamento del reticolo a causa dei diversi coefficienti di espansione termica. Questa serie di stress porterà alla rottura e al distacco del rivestimento della barriera termica .
Lo shock termico è un meccanismo di guasto primario poiché le sollecitazioni indotte da cambiamenti di temperatura così drastici possono causare crepe nel rivestimento della barriera termica.
Inoltre, la sinterizzazione aumenta la densità dello strato superiore, provocando la formazione di crepe. È stato riferito che i materiali compositi ceramici a base di nitruro di silicio mostrano anche prestazioni superiori rispetto ai tradizionali materiali in nitruro di zirconio nelle applicazioni di rivestimento con barriera termica.
Tipi di rivestimenti a barriera termica
I diversi materiali di rivestimento della barriera termica hanno caratteristiche diverse. Inclusi zirconio comunemente usato (YSZ), zirconato di metallo terroso, % di ossido di azoto e alluminio, ecc. YSZ è il più famoso ed è ampiamente utilizzato nei motori a carburante grazie alla sua buona stabilità termica e alla bassa conduttività termica. Tuttavia, YSZ incontra cambiamenti di fase ad alte temperature, con conseguente degrado delle prestazioni.
Gli ossidi di terre rare (come il CeO2) e i compositi metallo-vetro hanno dimostrato di avere un potenziale come materiali alternativi.
Campi di applicazione
L'applicazione di rivestimenti con barriera termica sta diventando sempre più comune nei veicoli moderni, in particolare per ridurre la perdita di calore nei componenti del sistema di scarico, come componenti come collettori di scarico e alloggiamenti del turbocompressore. Inoltre, nel campo dell'aviazione, l'uso di tali rivestimenti è estremamente importante, spesso utilizzati per proteggere le superleghe a base di nichel e consentire loro di funzionare al di sopra del punto di fusione per migliorare le prestazioni del motore.
Tuttavia, con la domanda di carburante e il progresso della tecnologia verde, come migliorare continuamente le prestazioni dei rivestimenti a barriera termica e consentire loro di funzionare stabilmente a temperature più elevate è una sfida a cui l'industria attribuirà grande importanza in futuro .
La tecnologia del rivestimento con barriera termica ha mostrato un ampio potenziale di applicazione in molti settori. Come verrà ulteriormente sviluppata questa tecnologia in futuro per soddisfare le mutevoli esigenze?
