Caratterizzazione e simulazione di rivestimenti avanzati per applicazioni spaziali = Characterization and simulation of advanced coatings for space applications

Nel settore spaziale, così come nel campo aeronautico, la necessità di garantire l’integrità delle strutture, come delle camere di combustione ed, in generale, di tutte le componenti soggette a condizioni operative estreme, richiede lo sviluppo e l’implementazione di rivestimenti di protezione termica avanzati. Tali rivestimenti necessitano di resistere a temperature estreme, intensa ossidazione e forti stress termomeccanici, condizioni tipiche anche del settore aeronautico, campo in cui si utilizzano i Thermal Barrier Coating (TBC) e dal quale si intende esportare lo stato dell’arte della tecnologia. I TBC, composti da uno strato esterno superiore (Top Coat, TC) ceramico tendenzialmente realizzato in zirconia parzialmente stabilizzata con ittria (Yttria Stabilized Zirconia, YSZ) e da un secondo layer (Bond Coat, BC) in lega metallica comunemente identificata dal termine MCrAlY, il cui scopo è quello di mitigare la differenza in termini di proprietà tra TC e substrato metallico, sono impiegati al fine di proteggere le palette di turbina. Tuttavia, il trasferimento di queste tecnologie al settore spaziale impone una caratterizzazione accurata dei rivestimenti, che tenga conto delle differenti condizioni operative, decisamente più severe nell’ambito spaziale. In questo contesto, la tesi si propone di affrontare la problematica della caratterizzazione e realizzazione di rivestimenti termici idonei per applicazioni spaziali attraverso un approccio basato sulla simulazione numerica. Mediante il software MUL2, sviluppato dal gruppo di ricerca del Politecnico di Torino, si sono effettuate simulazioni termo-elastiche macrostrutturali e microstrutturali. Le analisi macrostrutturali, le quali sono state realizzate al variare dello spessore del rivestimento esterno, consentono di ottenere le informazioni necessarie in termini di stress meccanici e gradienti termici all'interno degli strati che compongono il rivestimento. Parallelamente, le analisi microstrutturali permetteranno di studiare le caratteristiche del rivestimento a livello microscopico basandosi sul concetto dell’elemento di volume rappresentativo (Representative Volume Element, RVE), ottenendo le proprietà omogeneizzate del materiale, attraverso le quali sarà possibile ricercare un riscontro con la precedente simulazione. L'obiettivo finale è valutare l'idoneità dei rivestimenti tradizionalmente utilizzati nel settore aeronautico, apportate le eventuali opportune modifiche, per l'impiego come scudi termici all’interno del sistema propulsivo in applicazioni spaziali.