Elizabeth J. Opila, professoressa e direttrice del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso l’Università della Virginia (UVA), sta guidando un team di ricerca impegnato nello sviluppo di rivestimenti avanzati per turbogetti. La ricerca, realizzata in collaborazione con esperti come i professori Bi-Cheng Zhou e Prasanna Balachandran, ha un obiettivo chiaro: migliorare l’efficienza dei motori a turbina, permettendo temperature operative più elevate e contribuendo così a ridurre il consumo di carburante, le emissioni e i costi operativi.
I materiali attualmente utilizzati per rivestire i turbogetti: superleghe a base di Nichel e compositi ceramici
Attualmente, i motori a turbina utilizzano principalmente due tipi di materiali per i rivestimenti nella sezione calda:
- Superleghe rivestite a base di nichel, in grado di resistere fino a circa 1.200°C.
- Compositi ceramici a più strati che forniscono protezione dall’ossidazione. Tuttavia, questi sistemi sono limitati dalla temperatura di fusione di uno degli strati principali, il silicio, che fonde a 1.410°C.
Il team di ricerca della UVA ha esplorato un’altra tipologia di materiali: le leghe metalliche refrattarie. Questi metalli, caratteristici per la loro resistenza al calore, furono studiati negli anni ’60, ma non sono mai riusciti a diffondersi a causa della loro bassa resistenza all’ossidazione. Per affrontare questa sfida, i ricercatori hanno iniziato a combinare queste leghe con ossidi di terre rare.
La soluzione vincente: combinazione di terre rare e leghe metalliche
Per sviluppare e testare i nuovi rivestimenti, il team ha combinato elementi delle terre rare come ittrio, erbio e itterbio. Per ottimizzare il processo, hanno impiegato simulazioni al computer e tecniche di apprendimento automatico (machine learning), collaborando con i professori Bi-Cheng Zhou e Prasanna Balachandran, che sono esperti in queste tecnologie.
Il rivestimento è stato applicato utilizzando due metodi comuni. Il primo metodo prevede di riscaldare il materiale fino a farlo diventare liquido e poi spruzzarlo sulla superficie del metallo. Il secondo metodo utilizza una miscela liquida che si asciuga e diventa solida quando viene applicata. Dopo aver applicato il rivestimento, i ricercatori hanno testato le prestazioni di entrambi i metodi in condizioni estreme, come ad esempio esponendo i materiali a vapore ad alta temperatura.
Ha partecipato alla ricerca anche il professor Patrick Hopkins dell’ExSiTE Lab, specializzato nella misurazione della resistenza termica dei materiali. “È stato un vero lavoro di squadra,” afferma Opila, sottolineando come l’intelligenza artificiale e le simulazioni al computer abbiano permesso di esplorare un’ampia gamma di combinazioni di materiali, mentre il laboratorio di Hopkins ha fornito dati fondamentali sulle proprietà fisiche dei materiali.
Nonostante i risultati promettenti, il team è consapevole che sono necessari ulteriori test e perfezionamenti. Le simulazioni al computer continueranno a svolgere un ruolo cruciale nel miglioramento delle prestazioni dei rivestimenti e nella determinazione del metodo migliore per applicarli.
La ricerca è stata pubblicata su nel numero cartaceo di ottobre di Scripta Materialia