Le nuove leghe per brasatura migliorano la barriera termica nella sezione calda del motore a reazione

Per redattore | 8 novembre 2013

DiTom Sandin, Morgan Advanced Materials Wesgo, Responsabile prodotto brasatura metalli

Gli scienziati dei materiali e i produttori di componenti ceramici hanno sviluppato nuovi materiali e processi che consentono ai motori di raggiungere temperature sempre più elevate in risposta all'attenzione dell'industria aerospaziale verso prestazioni più elevate e costi inferiori.

Nei motori a turbina a gas, una grande quantità di aria proveniente dal compressore viene utilizzata per raffreddare le palette e le pale della turbina. La quantità di aria necessaria è determinata dalla temperatura della turbina e dai materiali che devono essere raffreddati. Se i materiali della turbina necessitano di meno raffreddamento o possono essere realizzati con materiali in grado di resistere a temperature più elevate, ciò renderebbe più aria disponibile per la propulsione. Pertanto, aumentare la capacità termica della turbina è fondamentale per migliorare l’efficienza del motore. Tuttavia, i motori diventano più caldi quando aumenta la temperatura di lavorazione e questo aumento di calore tende a degradare i metalli.

All'interno delle turbine, le preforme pre-sinterizzate (PSP) vengono utilizzate per riparare le palette che si rompono a causa del calore e dell'usura eccessivi. I PSP, con una piccola quantità di lega di brasatura mescolata al metallo base, vengono utilizzati principalmente nella sezione della turbina per riparare crepe sulle palette e aree soggette a usura. Poiché le temperature continuano a salire in queste zone, vengono sviluppati nuovi materiali e tecnologie per creare una migliore barriera termica. Si prevede che questi sviluppi ridurranno significativamente i costi di manutenzione, riparazione e revisione (MRO). Gli esempi includono lo sviluppo di leghe per brasatura avanzate, l'uso della ceramica su componenti metallo-ceramica ad alta temperatura e l'introduzione della brasatura attiva, che consente di legare il metallo direttamente alla ceramica senza metallizzazione.

Le leghe per brasatura vengono utilizzate in una varietà di componenti di aerei militari e motori aerospaziali commerciali e vengono sviluppate qualità che legano direttamente la ceramica al metallo o ad altri materiali. Le composizioni delle leghe variano e includono quelle progettate per l'uso funzionale in applicazioni ad alta temperatura (750-850°C).

Le leghe vengono selezionate per soddisfare le specifiche condizioni di temperatura di servizio nonché i requisiti di tutti i componenti da unire. Gli esempi includono le leghe utilizzate nelle nuove sezioni calde delle turbine, la brasatura della ceramica al nitruro di silicio su nuove parti di motori in superleghe. La tabella 1 fornisce una panoramica delle leghe per brasatura disponibili mostrando la parte del motore in cui viene utilizzata e il materiale del componente/base.

La maggior parte degli aerei di linea moderni utilizza motori turbofan per la loro elevata spinta e la buona efficienza del carburante. Un turbofan riceve parte della sua spinta dal nucleo e parte dalla ventola. L'aria in entrata viene catturata dall'ingresso del motore. Parte dell'aria in entrata passa attraverso il ventilatore e prosegue nel compressore principale e poi nel bruciatore, dove viene miscelata con il combustibile e avviene la combustione. Lo scarico caldo passa attraverso il nucleo e le turbine della ventola e poi fuoriesce dall'ugello. Il resto dell'aria in entrata passa attraverso la ventola e bypassa il motore, in modo simile all'aria attraverso un'elica. L'aria che attraversa la ventola ha una velocità leggermente aumentata.

Questo diagramma di un tipico motore turbofan mostra i luoghi più comuni per l'utilizzo delle leghe, compresi quelli utilizzati per la "sezione fredda" del motore (aspirazione dell'aria e compressore) e la sua "sezione calda" (turbina e camera di combustione).

La Figura 1 è un diagramma di un tipico motore turbofan, che mostra le posizioni più comuni per l'uso delle leghe, comprese quelle utilizzate per la "sezione fredda" del motore (ingresso dell'aria e compressore) e la sua "sezione calda" (turbina e camera di combustione).

Il sito Wesgo Metals di Morgan Advanced Materials a Hayward, California, produce più di 15 composizioni di leghe brasate da utilizzare nella sezione compressori. Nioro® viene utilizzato su Inconel X750 o 718 per soddisfare la temperatura di solubilizzazione senza la crescita eccessiva del grano che si verifica nelle leghe a base di nichel. Nioro® è una lega di oro/nichel di elevata purezza per la brasatura sotto vuoto. Le leghe per brasatura al nichel vengono utilizzate nella brasatura delle sezioni di compressori e turbine. Nella sua forma in lamina, può essere utilizzato per brasare nastri a nido d'ape e guarnizioni metalliche.