Riduzione della variabilità nei test dei materiali ad alta temperatura
Aumentare l'efficienza dei motori aeronautici richiede non solo innovazione nei materiali e nel design, ma anche un miglioramento della qualità dei dati di test.
La fatica a basso numero di cicli (LCF) a temperature elevate (fino a 1000 °C) è stata un'area di test importante nel settore aerospaziale per decenni. L'obiettivo è simulare le condizioni di carico aggressive a cui sono sottoposti i materiali nei componenti critici delle turbine, generando dati da utilizzare nella selezione di materiali o processi, nel rilascio di lotti o, più recentemente, per la simulazione.
La ricerca di una maggiore fedeltà in questa simulazione ha portato a un rinnovato interesse per i dati di test LCF. Una delle motivazioni di fondo è la richiesta di ridurre le emissioni di carbonio. Un piccolo aumento della temperatura utilizzabile nel punto giusto può fornire un miglioramento misurabile dell'efficienza. Mentre l'uso di compositi strutturali ha prodotto riduzioni impressionanti del peso degli aeromobili, migliorare l'efficienza dei motori è un risultato facilmente raggiungibile per le emissioni.
Cosa significa avere dati migliori?
Tutti i comportamenti a fatica dei materiali mostrano dispersione o distribuzione, quindi la progettazione e la simulazione utilizzano valori di limite di confidenza statistica per tenerne conto. Tuttavia, non tutta la dispersione è solo vera variazione del materiale, ma una certa casualità aggiuntiva viene introdotta dalla procedura di test stessa. La variazione nel funzionamento del sistema di test (sia dalla meccanica che dall'operatore) significa che anche se fosse possibile testare nuovamente lo stesso provino, probabilmente darebbe un risultato leggermente diverso. Questo significa che a volte i valori ammissibili di progettazione possono essere migliorati semplicemente raccogliendo dati migliori!
Come comunità di ingegneri di test, spesso ci concentriamo ossessivamente sulla semplice accuratezza, ma ci siamo resi conto che questo da solo non è sufficiente; la ripetibilità è fondamentale. Le vie per il miglioramento si riducono a migliori controlli meccanici e termici, ma le loro implicazioni potrebbero non essere quelle che ti aspetti. Lavorando in collaborazione con i nostri clienti, Instron ha progettato soluzioni in tre aree chiave che hanno messo alla prova produttori e operatori di test negli ultimi decenni.
Stimoli meccanici
In primo luogo, l'afferraggio e l'allineamento dei provini sono una fonte importante di variabilità. Molti design di afferraggi teoricamente validi sono stati utilizzati in passato, ma non necessariamente aiutano il caricamento ripetibile. Gli elementi essenziali sono l'utilizzo di caratteristiche di posizionamento appropriate sul provino, l'applicazione di tolleranze strette sia all'afferraggio che al provino e un'azione di serraggio senza alcun movimento fuori asse. Contemporaneamente, è necessaria un'elevata rigidità laterale dell'intero sistema per mantenere quell'allineamento durante un test: è importante rendersi conto che la maggior parte della cedevolezza laterale al provino non proviene dal telaio di carico, ma piuttosto dalla flessione delle aste di trazione e della trasmissione.
In secondo luogo, la fedeltà del controllo meccanico del test è importante. Questo può sembrare ovvio, ma non è banale da ottenere, a meno che il sistema di controllo del telaio di test non sia sintonizzato in modo efficace e coerente. È stata pratica comune consentire ai primi 10 cicli di fatica una notevole libertà di "avvicinarsi" al carico target, eppure questi primi cicli sono spesso i più critici, quando il materiale cambia più rapidamente (indurimento o rammollimento). La sintonizzazione era storicamente un'operazione specializzata, dove "buono" era altamente soggettivo. Gli ultimi algoritmi di sintonizzazione brevettati basati sulla rigidità di Instron eliminano qualsiasi rischio di sovraccarico o pre-ciclaggio di un provino durante la configurazione del test, ottenendo al contempo un controllo del test quasi identico tra diversi operatori, macchine e persino laboratori.
Controllo e misurazione termica
In terzo luogo, Instron ha completamente automatizzato il controllo della temperatura del provino. L'hardware di controllo del forno nella maggior parte dei laboratori è rimasto sorprendentemente primitivo, controllando manualmente le tre zone del forno in modo indipendente, richiedendo un lavoro pre-test esteso, specializzato e dispendioso in termini di tempo. Gli ultimi sistemi di controllo del forno di Instron sono completamente pre-sintonizzati e utilizzano più misurazioni della temperatura del provino per controllare in modo adattivo il forno senza alcun intervento dell'operatore. Ogni test viene condotto automaticamente alla temperatura prevista, con tempi di riscaldamento più rapidi, riducendo al minimo il superamento della temperatura e il gradiente del provino. L'interfaccia completamente computerizzata significa che è possibile aggiungere funzionalità come le calibrazioni delle termocoppie e registrare un'ampia varietà di metriche, migliorando notevolmente la tracciabilità.
Standardizzazione internazionale
Ciò che è generalmente considerato "best practice" nel settore aerospaziale è ancora significativamente avanti rispetto alla standardizzazione internazionale pubblica come ISO, ASTM, JSA (Japanese Standards Association) e BSI (British Standards Institute). Ovviamente, particolari aziende o gruppi utilizzano specifiche di test interne o standard commerciali, ma questi non sono pubblicati apertamente all'intera comunità. I requisiti Nadcap sono moderatamente rigorosi, ma sono limitati dal fatto che il loro ruolo è solo quello di garantire una buona implementazione di una particolare specifica di test. L'essenza di standard come ASTM E606 e ISO 12106 è ben consolidata, sebbene ci sia una discussione in corso su come mantenerli e migliorarli. Alcune delle considerazioni riguardano la geometria del provino e i requisiti di finitura, in particolare come implementarli nel contesto di provini prodotti in modo additivo, ma anche sul miglioramento della robustezza dei requisiti di qualità per il controllo del test. Per gli operatori esperti, vale la pena notare che è disponibile un metodo leggermente più rigoroso di verifica dell'allineamento per le apparecchiature di test di fatica (ISO 23788) e nel 2022 l'ISO ha pubblicato una specifica tecnica per la verifica della misurazione della temperatura del provino (ISO 21913).
I laboratori di test primari per l'industria aerospaziale ne sono ben consapevoli e forniscono requisiti chiari e rigorosi per le nuove apparecchiature, ma molti laboratori di ricerca piccoli o nuovi non hanno alcuna conoscenza di questi requisiti più esigenti. Di conseguenza, è diventato più importante che mai per i fornitori di apparecchiature mantenere una buona comprensione delle esigenze del mercato, aiutando i nuovi laboratori a unirsi alla comunità di test allo "stato dell'arte".
Conclusione
Le richieste ambientali e sociali odierne sull'industria si stanno combinando con anni di miglioramento nella progettazione e nella simulazione per promuovere lo sviluppo di una maggiore efficienza nelle turbine a gas e nella generazione di energia in generale. Nell'industria dei test dei materiali, dobbiamo rispondere supportando il settore ingegneristico con apparecchiature che forniscono la massima fiducia possibile nei dati e facilitano buone pratiche scientifiche nel garantire la riproducibilità degli esperimenti. I recenti progressi nella progettazione delle apparecchiature discussi in questo articolo esemplificano quel principio e hanno affrontato la necessità industriale di migliorare la coerenza dei dati di test rimuovendo gli effetti nascosti dell'allineamento, del controllo del test e del controllo della temperatura.
Informazioni sull'autore
Peter Bailey, PH.D.
Il Dr. Bailey è lo specialista principale delle applicazioni per i test di fatica e meccanica della frattura presso Instron. Ha sede a High Wycombe, Regno Unito, presso lo stabilimento e il centro di eccellenza dell'azienda per i test dinamici. Con oltre 20 anni di esperienza nella scienza sperimentale dei materiali, partecipa anche allo sviluppo di standard, come convocatore di gruppi di lavoro e delegato del Regno Unito al comitato tecnico ISO TC164 e collaboratore del comitato ASTM E08.