ITCO20090027A1 - Superlega a base di nichel, componente meccanico realizzato con detta superlega, turbomacchina comprendente tale componente e metodi relativi - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
Campo tecnico
La presente invenzione riguarda una nuova superlega a base di nichel ed un metodo per la sua realizzazione.
L’invenzione riguarda altresì un componente meccanico realizzato con tale superlega, una relat iva turbomacchina ed uno specifico metodo di applicazione.
Stato della tecnica
Nel settore della tecnologia dei materiali à ̈ generalmente noto cercare di risolvere i problemi legat i alla realizzazione di component i meccanici che lavorano ad alta temperatura utilizzando sistemi di raffreddamento o barriere termiche per raffreddare il materiale con cui sono prodotti aumentandone la resistenza meccanica.
Infatti, ad elevata temperatura la vita del componente si abbassa nel caso in cui non venga previsto un sistema di raffreddamento adeguato; oppure à ̈ necessario diminuire la temperatura d’esercizio per mantenere l’attuale vita.
Sono state sviluppate pertanto innumerevoli t ipi di leghe, cioà ̈ combinazioni di due o più element i di cui almeno uno à ̈ un metallo, per cercare di ottenere un materiale che, ad alta temperatura di esercizio, presenti elevata resistenza meccanica ed al tempo stesso particolari caratterist iche di resistenza chimica (corrosione, erosione, o altro) in funzione della particolare applicazione.
In particolare, nei component i per turbomacchine, l’utilizzo di sistemi di raffreddamento richiede complessi processi di fabbricazione e comporta inoltre una perdita di prestazioni da parte della macchina; risulta pertanto di particolare importanza il materiale con cui sono realizzati.
Un particolare tipo di leghe sviluppate per resistere alle alte temperature sono le superleghe a base di nichel, progettate per conservare una buona resistenza meccanica ed all’ossidazione anche a temperature normalmente di circa 1000°C, utilizzate in specie in campo aeronautico e/o aerospaziale (ma non solo).
Queste superleghe a base di nichel sono una categoria di leghe metalliche molto ampia e sono soggette a continui migliorament i e ricerche, poiché gli elementi chimici possono essere combinat i in numero e quantità in modo enormemente variabile, ottenendo caratterist iche grandemente differenti in funzione della particolare combinazione o miscela di elementi.
Attualmente quindi, nonostante gli sviluppi della tecnologia, risulta problematico ed à ̈ sentita la necessità di realizzare superleghe a base di nichel sempre più migliorate, presentant i cioà ̈ una resistenza meccanica, chimica e termica più elevate in modo da realizzare macchine più performanti e dai costi più contenuti.
Scopi e sommario dell’invenzione
Uno scopo dell’invenzione à ̈ la realizzazione di una superlega a base di nichel che permetta di raggiungere temperature di utilizzo più elevate delle superleghe tradizionali migliorandone al tempo stesso la resistenza meccanica e chimica, superando almeno in parte alcuni degli svantaggi suddetti.
Ulteriori scopi della presente invenzione sono la realizzazione di un metodo per produrre tale superlega, di un componente meccanico realizzato con tale superlega ed una relat iva turbomacchina.
Questi scopi e vantaggi sono ottenuti in sostanza con una superlega secondo la rivendicazione 1, con un metodo per la sua realizzazione secondo la rivendicazione 6, con un componente secondo la rivendicazione 8, con una macchina secondo la rivendicazione 9 e con uno specifico metodo di applicazione secondo la rivendicazione 10.
Caratterist iche tecniche vantaggiose della presente invenzione sono esposte nelle rivendicazioni dipendent i.
Secondo un primo aspetto, l’invenzione riguarda una superlega a base di nichel particolarmente adatta alla realizzazione di componenti meccanici che lavorano ad alta temperatura, in particolare attorno ai 1200°C, in una turbomacchina.
Secondo l’invenzione, questa superlega comprende almeno i seguent i elementi in quantità percentuale rispetto al peso (di seguito e nelle allegate rivendicazioni le percentuali sono rispetto al peso, se non diversamente indicato): Cromo (Cr) tra il 3% e il 7%, Tungsteno (W) tra l’3% e il 15%, Tantalio (Ta) tra il 4% e il 6%, Alluminio (Al) tra il 4% e l’8%, Carbonio (C) inferiore a 0,8%, ed il rimanente di Nichel (Ni), più eventuali impurità .
In una forma di attuazione particolarmente vantaggiosa dell’invenzione, questa superlega comprende l’ossido dell’Ittrio, detto anche dai tecnici “Yttria†(formula chimica Y2O3), in quant ità percentuale rispetto al volume tra lo 0% ed il 15%, preferibilmente tra il 0% ed il 7%, più preferibilmente tra lo 0% ed il 6%, in modo da conferire particolare resistenza meccanica alla superlega ad elevata temperatura.
L’ossido di ittrio à ̈, in breve, una sostanza solida biancastra e stabile all’aria utilizzata in differenti settori tecnologici, come ad esempio nella produzione di filtri di microonde o metalli superconduttori (grazie le sue proprietà di superconduttore alle elevate temperature) oppure per la produzione di alcuni t ipi composti organometallici (convertendola in cloruro di ittrio – formula chimica YCl3).
In un’altra forma di attuazione part icolarmente vantaggiosa dell’invenzione, questa superlega comprende renio (Re) in quant ità percentuale rispetto al peso tra il 0% ed il 10%, preferibilmente tra il 3% ed il 7%, più preferibilmente tra il 4% ed il 6%, in modo da aumentare ulteriormente la resistenza meccanica alle elevate temperature.
Il renio à ̈, brevemente, un metallo biancoargenteo, raro, pesante e possiede un punto di fusione tra i più alt i tra gli elementi, inferiore solo a quello del tungsteno e del carbonio. È anche uno dei più densi, superato solo dal platino, dall'iridio e dall'osmio. Il renio à ̈ stato l'ult imo elemento naturale a venire scoperto. Viene generalmente commercializzato in forma di polvere, che può essere compattata per pressione e sinterizzazione sotto vuoto o in atmosfera di idrogeno. Il renio non si trova in natura allo stato libero e nemmeno compare in minerali tipici. La sua abbondanza nella crosta terrestre à ̈ di circa 0,001 ppm, cioà ̈ circa un milligrammo per tonnellata. Viene principalmente estratto dai fumi di arrostimento dei minerali a base di solfuro di rame e da alcuni minerali del molibdeno, che arrivano a contenerne tra lo 0,002% e lo 0,2%, ad esempio per riduzione del perrenato d'ammonio con idrogeno ad alta temperatura. Il suo processo di purificazione risulta difficile e dai costi elevati.
Le principali applicazioni di questo elemento sono nella produzione di catalizzatori al plat ino-renio per la produzione di benzina; nella produzione di filament i e detector di ioni negli spettrometri di massa; come addit ivo per leghe a base di tungsteno o molibdeno per leghe supercondutttici; come catalizzatore per alcuni processi di idrogenazione; per la realizzazione di contatti elettrici, data la buona resistenza all'usura e alla corrosione; per la produzione di termometri a termocoppia per la misura di temperature fino a 2200 °C e altro ancora.
In una forma vantaggiosa dell’invenzione, questa superlega comprende tungsteno in quantità percentuale rispetto al peso tra il 4% ed il 6% oppure tra il 9% e il 11% in funzione della quantità di renio, vedi descrizione più sotto.
In un’altra forma di realizzazione, la superlega presenta almeno uno dei suddetti elementi in quantità percentuale rispetto al peso: cromo (Cr) tra il 4% e il 6%, tantalio (Ta) tra il 4,5% e il 5,5%, alluminio (Al) tra il 5% e il 7%, carbonio (C) inferiore allo 0,1%.
In una forma di attuazione part icolare, la suddetta lega, preferibilmente del t ipo equiassica, può avere microaggiunte di afnio (Hf), zirconio (Zr) e boro (B) per un contenuto totale massimo inferiore a 2% in modo da migliorare le caratterist iche meccaniche in funzione dell’applicazione specifica.
Secondo ancora un diverso aspetto, la presente invenzione riguarda un metodo per realizzare una superlega a base di nichel comprendente almeno una fase in cui si miscelano i seguenti elementi in quant ità percentuale rispetto al peso: cromo (Cr) tra il 3% e il 7%; tungsteno (W) tra l’3% e il 15%; tantalio (Ta) tra il 4% e il 6%; alluminio (Al) tra il 4% e l’8%; carbonio (C) inferiore del 0,8% ed il rimanente di nichel (Ni) più eventuali impurità .
Ulteriori fasi possono prevedere di miscelare a tale superlega almeno uno dei seguenti elementi:
- ossido di ittrio (Y2O3) in quant ità percentuale rispetto al volume tra lo 0% ed il 15% (in volume), preferibilmente tra il 0% ed il 7%, più preferibilmente tra lo 0% ed il 6%;
- Renio (Re) in quant ità percentuale rispetto al peso tra lo 0% ed il 10%, preferibilmente tra il 3% ed il 7%, più preferibilmente tra il 4% ed il 6%;
- Tungsteno in quant ità percentuale rispetto al peso tra il 4% ed il 6% oppure tra il 9% ed il 11% in funzione della quant ità di Renio.
In una forma di attuazione preferibile della presente invenzione, questa superlega viene realizzata tramite “fusione†.
Per “fusione†si intendono quei processi produttivi chiamati anche “lavorazioni da fonderia†che realizzano getti per colata, ad esempio in terra (note come “lavorazioni in sabbia†), in forma metallica (note come “in conchiglia†) o sotto pressione (“pressofusione†) o altro ancora.
In particolare, questa superlega può essere realizzata tramite una lavorazione da fonderia del tipo a “microfusione a cera persa†che prevede sostanzialmente di:
- preparare un modello in cera del componente da lavorare;
- realizzare intorno al modello in cera un apposito rivest imento (in genere gessoso o fosfat ico);
- far subire un ciclo termico ad alta temperatura al modello rivestito (in genere circa 650° a 900°C) per eliminare la cera e realizzare uno stampo cavo;
- colare nello stampo la superlega fusa attraverso apposit i canali di colata;
- far solidificare la superlega all’interno dello stampo, poi estrarla dallo stampo.
Il ciclo termico ad alta temperatura può essere effettuato secondo differenti tecniche di riscaldamento, ad esempio fusione a fiamma libera, fusione ad induzione, fusione su substrato riscaldato a resistenza elettrica, fusione ad arco voltaico tra elettrodi di tungsteno in inerte o altro ancora.
La colata può essere realizzata per gravità o con spinta di gas oppure mediante depressione od ancora con spinta centrifuga o altro ancora. Il meccanismo di solidificazione, sia nel caso di microfusione a cera persa sia nel caso di un qualsiasi altro metodo di lavorazione da fonderia, può essere controllato in modo da ottenere una microfusione a singolo cristallo (o “single crystal†) oppure equiassica oppure ancora direzionale, vedi descrizione più sotto. In particolare, la microfusione a singolo cristallo à ̈ tale da ottenere una superlega con un buon comportamento per tutti quei fenomeni a bordo grano, come ad esempio basso “creep†, elevata resistenza all’ossidazione e alle sollecitazioni meccaniche e chimiche e altro ancora; d’altra parte la sua realizzazione risulta complessa e costosa. Al contrario, la microfusione equiassica à ̈ tale da ottenere una superlega più economica e semplice da realizzare ma dalla resistenza inferiore rispetto alla microfusione a singolo cristallo.
La microfusione direzionale, d’altra parte, garantisce una resistenza migliore secondo la direzione preferenziale dei grani.
I vantaggi principali di una lavorazione da fonderia, sia essa a cera persa che di altro tipo, sono dati dal fatto che à ̈ possibile controllarne il raffreddamento in modo da ottenere una lega dalle proprietà specifiche elevate ed allo stesso tempo ottenere forme complesse senza lavorazioni meccaniche particolarmente onerose.
La possibile formazione di microporosità , disuniformità o precipitati di fasi non desiderate richiede d’altra parte un accurato controllo sia del processo che del prodotto.
In un’altra forma di attuazione preferibile della presente invenzione, questa superlega viene realizzata tramite “metallurgia delle polveri†. Per “metallurgia delle polveri†si intendono quei processi di fabbricazione tramite i quali i manufatti metallici (o ceramici) vengono ottenuti attraverso trattamento termo-meccanico delle loro polveri.
In particolare, questa superlega può essere realizzata tramite un processo di pressatura a caldo al fine di ottenere la compattazione delle polveri mediante un processo del tipo “sinterizzazione†che prevede sostanzialmente di:
- preparare la suddetta superlega, eventualmente con renio, sotto forma di particelle solide o polveri;
- eventualmente miscelare tali polveri con polveri di ittrio;
- inserire le polveri in uno stampo deformabile ad alta pressione riproducente la forma dell’oggetto da realizzare o simile ad esso con opportuno sovradimensionamento;
- riscaldare sotto pressione tale stampo tipicamente a temperature circa 0,7÷0,9 volte al di sotto del punto di fusione del materiale in modo da sinterizzare e compattare le particelle, per provocarne allo stesso tempo una ricristallizazione;
- raffreddare ed aprire lo stampo per estrarre il componente finito.
I vantaggi principali della metallurgia delle polveri sono dati dal fatto che elimina o minimizza la necessità di lavorazioni meccaniche, risulta economica specialmente per geometrie complicate ed à ̈ possibile ottenere una ampia libertà di scelta per differenti materiali o trattament i di lavorazione finali con una buona finitura superficiale ed una buona riproducibilità da pezzo a pezzo adatta alla produzione in serie.
Gli svantaggi sono dati, d’altra parte, sostanzialmente dal fatto che il prodotto finito ha inferiori proprietà meccaniche e minore precisione dimensionale in confronto a prodotti realizzati per fusione.
Sia nel caso di tecnica di lavorazione da fonderia che di metallurgia delle polveri, à ̈ possibile prevedere ulteriori lavorazioni sul componente finito, come ad esempio la rettifica, la lappatura, la lucidatura, la calibratura oppure qualunque altra lavorazione meccanica di finitura o di completamento della forma (nel caso di vincoli geometrici non compatibili con la pressatura in matrice) o trattament i termici di ottimizzazione delle proprietà del materiale od altro ancora.
Inoltre, possono essere previst i rivestimenti protettivi su tale superlega (o meglio sul prodotto finito realizzato con tale superlega) in funzione del particolare utilizzo a cui à ̈ destinata.
Secondo un’altro aspetto, la presente invenzione riguarda un componente meccanico di una turbomacchina realizzato con una superlega del tipo suddetto e che può raggiungere temperature elevate durante l’uso, in specie fino a circa 1200°C o poco superiori. Secondo un’altro aspetto, la presente invenzione riguarda una turbomacchina in cui à ̈ previsto almeno un componente meccanico realizzato con una superlega del t ipo suddetto, come ad esempio una turbina a gas, od altro ancora.
Non à ̈ chiaramente da escludere che la suddetta lega possa essere utilizzata in altre applicazioni o campi tecnologici, ove sia previsto l’impiego di materiali resistent i alle alte temperature (fino a circa 1200°C), ad elevate sollecitazioni meccaniche e all’ossidazione e/o alla corrosione.
Secondo ancora un’altro aspetto, la presente invenzione riguarda un metodo per migliorare le performance di una turbina a gas prevedendo di sostituire alcune parti dei suoi componenti statorici particolarmente critici alle elevate temperature con inserti realizzati con una superlega secondo la presente invenzione, vedi descrizione più sotto.
Un vantaggio della superlega secondo la presente invenzione à ̈ dato dal fatto che, rispetto alle note superleghe a base di nichel, consente di incrementare la temperatura di utilizzo di un componente di una turbomacchina fino a circa 1200°C, grazie alla composizione specificatamente sviluppata.
Infatti, questa superlega presenta una buona resistenza all’ossidazione ed una elevata resistenza meccanica fino almeno a tale temperatura.
In particolare, dal punto di vista compositivo la composizione di questa superlega consente di migliorare almeno le seguenti caratterist iche:
- maggiore resistenza alla ossidazione a temperature superiori a 1000°C;
- maggiore carico a rottura a temperature superiori a 1100°C;
- maggior stabilità della fase indurente gamma primo, costituita da precipitati nichel-alluminio (formula chimica Ni3Al) che conferiscono proprietà meccaniche alle superleghe. (fino a circa 1300°C).
Pertanto, à ̈ possibile incrementare la temperatura tipica di ut ilizzo rispetto alle attuali leghe commerciali nel settore delle turbomacchine ed estendere la vita dei componenti a parità di temperatura d’esercizio o di ridurre considerevolmente la richiesta di raffreddamento dei componenti; viene pertanto semplificato il componente e richiesta una minore protezione mediante l’impiego di barriere termiche.
I vantaggi derivant i dall’avere un materiale caratterizzato da prestazioni fino a temperatura elevata sono molteplici, e possono essere riassunt i nei seguenti punt i:
- incremento delle prestazioni grazie alla possibilità di aumento delle temperature di esercizio;
- incremento delle prestazioni grazie alla possibilità di riduzione dell’aria di raffreddamento necessaria;
- estensione della vita dei componenti;
- miglioramento della progettazione e del processo produttivo dei component i grazie alla ottimizzazione del sistema di raffreddamento.
Ognuno di quest i aspetti tecnici può essere tradotto in un corrispondente beneficio economico.
Un altro vantaggio à ̈ che tale superlega risulta particolarmente versat ile, poiché può essere utilizzata sia per realizzare una macchina o un componente di nuova progettazione oppure per un miglioramento di una macchina o di un componente già esistente. In generale, l’invenzione può essere utilizzata in tutti i campi in cui à ̈ richiesta un’adeguata resistenza alle alte temperature sia in termini di proprietà meccaniche sia in termini di resistenza all’ossidazione e alla corrosione.
Ulteriori vantaggiose caratterist iche e forme di realizzazione del metodo e del dispositivo secondo l’invenzione sono indicate nelle allegate rivendicazioni dipendent i e verranno ulteriormente descritte nel seguito con riferimento ad alcuni esempi di attuazione non limitat ivi.
Breve descrizione dei disegni
La presente invenzione può essere meglio compresa ed i suoi numerosi scopi e vantaggi risulteranno evident i agli esperti del ramo con riferimento ai disegni schematici allegati, che mostrano una pratica esemplificazione non limitativa del trovato stesso. Nel disegno:
Figura 1 à ̈ un grafico che mostra la resistenza allo scorrimento viscoso in funzione di carico e temperatura di una pluralità di superleghe secondo alcune forme di realizzazione dell’invenzione;
Figure 2 a 6 mostrano grafici esplicativi dei risultati di alcune prove di ossidazione effettuate su una pluralità di superleghe secondo alcune forme di attuazione dell’invenzione, rispetto a leghe commerciali di confronto;
Figura 7 mostra un grafico esplicat ivo della resistenza a trazione ad alta temperatura di una forma dell’invenzione rispetto ad una serie di leghe commerciali; e
Figura 8 mostra una vista assonometrica parzialmente esplosa di componente per una turbomacchina secondo una forma di attuazione dell’invenzione.
Descrizione dettagliata di alcune forme di attuazione dell’invenzione
Una prima superlega secondo una prima forma di attuazione dell’invenzione à ̈ ivi chiamata Ni29 e comprende almeno i seguent i elementi: cromo (Cr) al 5% in peso; tungsteno (W) al 10%; tantalio (Ta) al 5%; renio al 0%; alluminio (Al) al 6%; carbonio (C) al 0,05% e eventualmente ossido di ittrio (Y2O3) tra lo 0,5% e il 2% (quest’ult ima in volume).
Una seconda superlega secondo una seconda forma di attuazione dell’invenzione à ̈ ivi chiamata Ni32 e comprende almeno i seguent i elementi:
cromo (Cr) al 5% in peso; tungsteno (W) al 5%; tantalio (Ta) al 5%; renio al 5%; alluminio (Al) al 6%; carbonio (C) al 0,05% e eventualmente ossido di ittrio (Y2O3) tra lo 0,5% e il 2% (quest’ult ima in volume).
In particolare, la quant ità di tungsteno può essere bilanciata rispetto al renio presente in modo inversamente proporzionale, ad esempio prevedendo circa il 5% di tungsteno quando il renio à ̈ al 5% ed al contrario circa il 10% di tungsteno quando il renio à ̈ assente.
Non à ̈ inoltre da escludere di poter prevedere quant ità di cobalto (Co) inferiori al 5% in peso, in funzione della particolare applicazione. E’ chiaro che la composizione di entrambe le superleghe à ̈ ivi indicata a scopo esplicat ivo e non limitativo per l’invenzione, potendo variare sensibilmente in funzione della particolare applicazione o procedimento di realizzazione utilizzato.
Nelle figure da 1 a 9 si riportano a titolo esemplificat ivo i risultat i di alcune delle prove effettuate.
La Fig.1 à ̈ un grafico che mostra la resistenza allo scorrimento viscoso valutata mediante prove di rottura a fatica o “Stress Rupture†, consistenti nella valutazione del tempo a rottura di un provino cilindrico sottoposto ad un determinato carico costante ad una specifica temperatura di test. Nel grafico à ̈ riportata la variazione del carico espresso in “Kip per Square Inch†(ksi) in funzione del parametro di Larson-Miller (LMP), che parametrizza temperatura di test e tempo a rottura, di una pluralità di leghe di confronto rispetto a differenti t ipologie di leghe secondo l’invenzione.
In particolare, una linea 1A à ̈ relativa alla lega commerciale base Co FSX414; una linea 1B à ̈ relat iva alla commerciale base Ni GTD222; una linea 1C à ̈ relativa alla lega commerciale SC Renà ̈ N4. La curva 1D à ̈ relativa alla lega Ni32 realizzata a singolo cristallo; una curva 1E à ̈ relat iva alla lega Ni29 realizzata a singolo cristallo, una curva 1F à ̈ relat iva alla lega Ni32 equiassica con microaggiunte di Hf e Zr, un punto 1G à ̈ relat ivo alla lega Ni32 ottenuta mediante metallurgia delle polveri seguita da estrusione a caldo.
Da questo grafico si nota come l’invenzione, nelle sue diverse forme, present i caratterist iche di resistenza meccanica sostanzialmente comparabili con i migliori prodotti commerciali ed al tempo stesso presentante una maggiore resistenza ad ossidazione (vedi figure successive). Inoltre, in funzione delle specifiche necessità progettuali à ̈ possibile incrementare le proprietà della lega semplicemente modificandone il processo produttivo, ad esempio a singolo cristallo, equiassica o altro ancora. Al fine di ottimizzare le proprietà meccaniche la produzione dell’invenzione nella sua forma microfusa a cristallo singolo à ̈ preferibile.
La Fig.2 à ̈ un grafico che mostra la resistenza ad ossidazione valutata come la variazione di peso su unità di area (g/cm2) in funzione del numero di cicli eseguit i durante un set di prove di ossidazione ciclica su differenti leghe, quest i set sono composti ciascuno da un riscaldamento ad una temperatura di circa 1250°C per 1 ora e raffreddamento a temperatura ambiente per 15 minuti.
In particolare, una prima linea 2A mostra la variazione di peso su area della lega Ni29 ottenuta mediante metallurgia delle polveri e presentante lo 0% di Y2O3; una seconda linea 2B della lega Ni29 ottenuta mediante metallurgia delle polveri e presentante il 5% di Y2O3; una terza linea 2C della lega commerciale CMSX10®; una quarta linea 2D della lega commerciale PM2000; una quinta linea 2E della lega commerciale MA6000; una sesta linea 2F della lega Ni29 al 2% (in volume) di Y2O3.
Da questo grafico si nota come le leghe secondo queste forme di attuazione dell’invenzione presentino una resistenza ad ossidazione superiore alle leghe commerciali per alta temperatura, fatta eccezione per la lega PM2000 che presenta però scarse proprietà meccaniche ad alta temperatura.
La Fig.3 à ̈ un grafico simile a quello di Fig.2 che mostra la variazione di peso su unità di area (g/cm<2>) in funzione del numero di cicli eseguit i durante un set di prove di ossidazione ciclica su una pluralità di leghe, questi set sono composti ciascuno da un riscaldamento ad una temperatura di circa 1200°C per 1 ora e raffreddamento a temperatura ambiente per 15 minuti.
In particolare, una prima linea 3A mostra l’andamento della lega Ni29 equiassica; una seconda linea 3B mostra l’andamento della lega Ni32 equiassica; una terza linea 3C mostra l’andamento della lega Ni29 a singolo cristallo; una quarta linea 3D mostra l’andamento della lega Ni32 a singolo cristallo; una quinta linea 3E mostra l’andamento della lega Ni32 ottenuta mediante metallurgia delle polveri; una sesta linea 3F mostra l’andamento della lega Ni29 ottenuta mediante metallurgia delle polveri.
Da questo grafico si nota come la specifica tecnologia produttiva influenzi la resistenza ad ossidazione. In particolare, risulta preferibile produrre l’invenzione mediante metallurgia delle polveri per ottimizzarne la resistenza ad ossidazione senza degradarne eccessivamente le proprietà meccaniche.
La Fig.4 à ̈ un grafico simile a quello di Fig.3 che mostra la variazione di peso su unità di area (g/cm<2>) in funzione del numero di cicli eseguit i durante un set di prove di ossidazione ciclica su una pluralità di leghe prodotte per microfusione secondo l’invenzione, questi set sono composti ciascuno da un riscaldamento ad una temperatura di circa 1200°C per 1 ora e raffreddamento a temperatura ambiente per 15 minuti.
In particolare, una prima linea 4A mostra l’andamento della lega Ni29 equiassica; una seconda linea 4B mostra l’andamento della lega Ni32 equiassica; una terza linea 4C mostra l’andamento della lega Ni29 con una minore quant ità di carbonio (circa 0,005%); una quarta linea 4D mostra l’andamento della lega Ni32 con una minore quant ità di carbonio (circa 0,005%); una quinta linea 4E mostra l’andamento della lega Ni29 microfusa equiassica con trattamento di pressatura isostatica a caldo; una sesta linea 4F mostra l’andamento della lega Ni32 microfusa equiassica con trattamento di pressatura isostatica a caldo; una settima linea 4G mostra l’andamento della lega Ni29 realizzata per microfusione a singolo cristallo; un’ottava linea 4H mostra l’andamento della lega Ni32 realizzata per microfusione a singolo cristallo.
Da questo grafico si nota come variazioni più o meno ampie della composizione chimica all’interno degli intervalli indicati secondo l’invenzione, così come il differente processo di microfusione, permettano di ottenere differenti prestazioni ad ossidazione ciclica. La Fig.5 à ̈ un grafico che mostra la variazione di peso su unità di area (g/cm<2>) in funzione del numero di cicli eseguit i durante un set di prove di ossidazione ciclica su una pluralità di leghe prodotte per metallurgia delle polveri secondo different i forme di attuazione dell’invenzione, questi set sono composti ciascuno da un riscaldamento ad una temperatura di circa 1200°C per 1 ora e raffreddamento a temperatura ambiente per 15 minuti.
In particolare, una prima ed una seconda linea 5A e 5B mostrano l’andamento della lega Ni29 con 0% di Y2O3; una terza ed una quarta linea 5C e 5D della lega Ni29 con 0,5% (in volume) di Y2O3; una quinta linea 5E della lega Ni29 con 1% (in volume) di Y2O3; una sesta ed una settima linea 5F e 5G della lega Ni29 con 2% (in volume) di Y2O3; un’ottava linea 5H mostra l’andamento della lega Ni32 con 0,5% (in volume) di Y2O3; una nona linea 5I mostra l’andamento della lega Ni32 con 1% (in volume) di Y2O3.
Da questo grafico si nota in particolare come il tenore di ossido di ittrio nella superlega secondo l’invenzione prodotta mediante metallurgia delle polveri risult i strettamente correlato alla resistenza ad ossidazione.
La Fig.6 à ̈ un grafico che mostra la variazione di peso per unità di area (g/cm<2>) in funzione del numero di cicli eseguit i durante un set di prove di ossidazione ciclica su una pluralità di leghe Ni29 sinterizzate secondo forme di attuazione dell’invenzione, questi set sono composti ciascuno da un riscaldamento ad una temperatura di circa 1200°C per 1 ora e raffreddamento a temperatura ambiente per 15 minuti.
In particolare, una prima linea 6A mostra l’andamento della lega Ni29; una seconda linea 6B mostra l’andamento della lega Ni32 presentante il 2% (in volume) di Y2O3; una terza linea 6C della lega Ni32 presentante il 5% (in volume) di Y2O3; una quarta linea 6D della lega Ni32 presentante il 10% (in volume) di Y2O3; una quinta linea 6E della lega Ni32 presentante il 20% (in volume) di Y2O3; una sesta linea 6F della lega Ni32 presentante il 40% (in volume) di Y2O3.
Da questo grafico si nota come tenori di ossido di ittrio superiori a circa il 20% riducano sensibilmente la resistenza ad ossidazione. La Fig.7 à ̈ un grafico che riporta i risultati delle prove di trazione di leghe commerciali confrontate con le leghe secondo diverse attuazioni dell’invenzione.
In particolare, una prima linea 7A mostra l’andamento della lega MA754; una seconda linea 7B mostra l’andamento della lega MAR-M200; una terza linea 7C della lega MA956; una quarta linea 7D della lega HA188; una quinta linea 7E della lega PM1000; una sesta linea 7F della lega PM2000 ed una settima linea 7G della lega MA758. Il punto 7H riporta altresì il risultato ottenuto sulla lega Ni29 a singolo cristallo ed il punto 7I della lega Ni32 a singolo cristallo (mostrati quasi sovrapposti nel grafico); il punto 7L della lega Ni29 ottenuta mediante metallurgia delle polveri seguita da estrusione a caldo ed il punto 7M della lega Ni29 equiassica.
Da questo grafico si nota come le proprietà meccaniche ad alta temperatura sono comparabili alle leghe commerciali presentando nel caso del “single crystal†caratterist iche superiori.
La Fig.8 mostra una vista assonometrica parziale di un assieme meccanico 100 di una turbina che consiste in una pluralità di vani 110 a forma aerodinamica realizzat i tra due ugelli 111 affiancati e distanziat i contenuti tra una parete interna 112 ed in una parete esterna 114. Il progetto di questi ugelli ed il loro supporto all’interno della turbina à ̈ realizzato in genere in modo da compensare almeno in parte le deformazioni ottenute a causa dei gas caldi per mantenerli correttamente allineati con il percorso del gas.
Possono inoltre essere previst i sistemi di raffreddamento degli ugelli che consistono sostanzialmente in forature 116 attraverso le quali circola un gas più freddo dall’interno verso l’esterno di questo componente in modo da aumentare sostanzialmente la sua vita.
Secondo l’invenzione, vengono previsti inserti sagomati 118 – mostrati in vista esplosa in Fig.8 - realizzati di una lega secondo l’invenzione nelle sezioni di ingresso 100I e rispettivamente di uscita 100U degli ugelli, che risultano zone particolarmente crit iche per questo tipo di component i, in modo da aumentarne ulteriormente la vita.
Questi inserti 118 possono essere previsti su di un componente nuovo oppure, in alternat iva, su di un componente usato per aumentarne la vita.
E’ chiaro che questo assieme meccanico 100 à ̈ ivi mostrato a titolo indicativo, potendo la lega secondo l’invenzione essere adatta a realizzare altri component i o sistemi meccanici in funzione di particolari applicazioni o necessità di utilizzo.
E’ inteso in generale che quanto illustrato rappresenta solo possibili forme di attuazione non limitat ive dell’invenzione, la quale può variare nelle forme e disposizioni senza uscire dall’ambito del concetto alla base dell’invenzione. L’eventuale presenza di numeri di riferimento nelle rivendicazioni allegate ha unicamente lo scopo di facilitarne la lettura alla luce della descrizione che precede e degli allegati disegni e non ne limita in alcun modo l’ambito di protezione.
* * * * * * *
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Una superlega a base di nichel particolarmente adatta alla realizzazione di component i meccanici per una turbomacchina caratterizzata dal fatto di comprendere almeno i seguenti element i in quantità percentuale rispetto al peso: cromo tra il 3% e il 7%, tungsteno tra il 3% e il 15%, tantalio tra il 4% e il 6%; alluminio tra il 4% e il 8%, carbonio inferiore allo 0,8%, ed il rimanente di nichel, più eventuali impurità .
- 2. La superlega secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di comprendere ossido di ittrio secondo la seguente quantità percentuale rispetto al volume: tra lo 0% ed il 15%, più preferibilmente tra lo 0% ed il 7%, ancora più preferibilmente tra lo 0% ed il 6%.
- 3. La superlega secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzata dal fatto di comprendere renio secondo la seguente quantità percentuale rispetto al peso: tra lo 0% ed il 10%, preferibilmente tra il 3% ed il 7%, più preferibilmente tra il 4% ed il 6%.
- 4. La superlega secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto tungsteno à ̈ in quant ità percentuale rispetto al peso tra il 4% e il 6% oppure tra il 9% e il 11% in funzione della quantità di detto renio.
- 5. La superlega secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di comprendere detti elementi in quantità percentuale rispetto al peso: cromo tra il 4% e il 6%, tantalio tra il 4,5% e il 5,5%, alluminio tra il 5% e il 7%, carbonio inferiore allo 0,1%.
- 6. Un metodo per realizzare una superlega a base di nichel caratterizzato dal fatto di comprendere una fase in cui si miscelano i seguent i elementi in quant ità percentuale rispetto al peso: cromo tra il 3% e il 7%, tungsteno tra il 3% e il 15%, tantalio tra il 4% e il 6%, alluminio tra il 4% e il 8%, carbonio inferiore allo 0,8%, ed il rimanente di Nichel, più eventuali impurità .
- 7. Il metodo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriori fasi che prevedono di miscelare almeno uno dei seguenti element i: - ossido di ittrio in quant ità percentuale rispetto al volume tra lo 0% ed il 15%, preferibilmente tra il 0% ed il 7%, più preferibilmente tra lo 0% ed il 6%; - renio in quantità percentuale rispetto al peso tra lo 0% ed il 10%, preferibilmente tra il 3% ed il 7%, più preferibilmente tra il 4% ed il 6%; - tungsteno in quantità percentuale rispetto al peso tra il 4% ed il 6% oppure tra il 9% e il 11% in funzione della quant ità di detto renio.
- 8. Un componente meccanico per una turbomacchina realizzato con una superlega a base di nichel secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5 e/o realizzato attraverso un metodo secondo la rivendicazione 6 o 7.
- 9. Una turbomacchina caratterizzata dal fatto di comprendere almeno un componente meccanico secondo la rivendicazione 8.
- 10. Un metodo per migliorare le prestazioni di una turbina a gas caratterizzato dal fatto di prevedere di sostituire una o più parti di suoi componenti statorici che risultano critici alle elevate temperature con inserti di una superlega secondo una delle rivendicazioni da 1 a 5.
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