I compositi a matrice ceramica prendono il volo nel motore a reazione LEAP

4 gennaio 2017

di Dawn Levy, Laboratorio nazionale di Oak Ridge

I materiali compositi a matrice ceramica (CMC) sono costituiti da fibre ceramiche rivestite circondate da una matrice ceramica. Sono resistenti, leggeri e in grado di resistere a temperature 300-400 gradi F più calde di quelle che possono sopportare le leghe metalliche. Se alcuni componenti fossero realizzati con CMC invece che con leghe metalliche, i motori delle turbine degli aerei e delle centrali elettriche potrebbero funzionare in modo più efficiente a temperature più elevate, bruciando il carburante in modo più completo ed emettendo meno sostanze inquinanti.

Un quarto di secolo fa, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha avviato un programma, guidato dall'Oak Ridge National Laboratory del DOE, per sostenere lo sviluppo statunitense di materiali CMC. Nel 2016, LEAP, un nuovo motore aeronautico, è diventato il primo prodotto contenente CMC ampiamente utilizzato. CFM International, una joint venture 50/50 di Safran e GE, produce LEAP.

Il motore ha un componente CMC, un rivestimento della turbina che riveste la zona più calda, quindi può funzionare fino a 2400 F. Il CMC necessita di meno aria di raffreddamento rispetto alle superleghe a base di nichel e fa parte di una suite di tecnologie che contribuiscono a 15 percentuale di risparmio di carburante per il LEAP rispetto al suo predecessore, il motore CFM 56.

Le prevendite alle compagnie aeree desiderose di ridurre i costi del carburante sono sconcertanti: 140 miliardi di dollari al prezzo di listino per oltre 11.000 motori. Ad agosto, il primo motore LEAP ha iniziato a volare commercialmente sull'Airbus A320neo. Altri motori LEAP voleranno sul Boeing 737 MAX nel 2017.

"I materiali sviluppati nel programma DOE sono diventati la base per il materiale che ora viene utilizzato nei motori aeronautici", ha affermato Krishan Luthra, che ha guidato per 25 anni lo sviluppo dei CMC di GE Global Research.

Il CMC di GE è costituito da fibre ceramiche di carburo di silicio (SiC) (contenenti silicio e carbonio in quantità uguali) rivestite con un materiale proprietario contenente nitruro di boro. Le fibre rivestite vengono modellate in una "preforma" incorporata in SiC contenente il 10-15% di silicio.

Rick Lowden dell'ORNL ha svolto un lavoro fondamentale negli anni '80 che ha aperto la strada ai programmi DOE. La chiave era rivestire le fibre ceramiche.

"Un composito a matrice ceramica è diverso da quasi tutti gli altri compositi perché la matrice è ceramica e la fibra è ceramica", ha affermato Lowden. In genere, la combinazione di due materiali fragili produce un materiale fragile, ha affermato. Ma alterare il legame tra fibra e matrice consente al materiale di agire più come un pezzo di legno. Le crepe non si propagano nelle fibre dalla matrice che le circonda. Le fibre tengono insieme il materiale e trasportano il carico mentre si estraggono lentamente dalla matrice, aggiungendo resistenza.

Il programma CFCC (Continuous Fiber Ceramic Composite) del DOE è stato attivo dal 1992 al 2002 e ha supportato lo sviluppo industriale di CMC di AlliedSignal, Alzeta, Amercom, Babcock e Wilcox, Dow Chemical, Dow Corning, DuPont-Lanxide Composites, GE e Textron. Il suo budget era in media di 10 milioni di dollari all'anno e l'industria condivideva i costi.

La CFCC ha finanziato aziende per realizzare compositi e laboratori nazionali e università per caratterizzare le proprietà dei materiali. Gli sforzi sono stati coordinati e finanziati tramite ORNL. Lowden ha scritto il piano del programma con Scott Richland del DOE e Mike Karnitz dell'ORNL e ha co-guidato il supporto alle aziende con Karren More dell'ORNL, Pete Tortorelli e Edgar Lara-Curzio e Bill Ellingson dell'Argonne National Laboratory. La US Advanced Ceramics Association ha rappresentato l'industria nell'informare il Congresso sui vantaggi dei CMC.

"Stavamo esaminando diverse fibre, diversi rivestimenti interfacciali e diverse matrici", ha detto More riguardo al ruolo di ORNL. "Siamo stati coinvolti nella comprensione dei meccanismi di degradazione e nella selezione dei compositi più promettenti e delle tecniche economicamente vantaggiose per prepararli."

Lowden ha aggiunto: "Stavamo lavorando per raggiungere un obiettivo comune: inserire i compositi a matrice ceramica in applicazioni industriali, tra cui scambiatori di calore ad alta pressione, turbine terrestri, forni di cementazione e bruciatori radianti".