Superalloy innovazioni per veicoli di lancio spaziali di prossima generazione

Le agenzie spaziali e i fornitori di lancio privati hanno ora un obiettivo di routine di riutilizzabilità, maggiori quote di carico e una durata più lunga. Rispondendo a questi obiettivi, i materiali che possono sopravvivere alle temperature di combustione superiori a 1.500 °C, i cicli termici rapidi e gli ambienti di scarico corrosivi. Le superlegati, una classe di materiali metallici progettati per condizioni estreme, sono diventati indispensabili per la prossima generazione di hardware di lancio-veicoli.

Il ruolo pivottale dei superlegati nei veicoli di lancio di prossima generazione

La spinta inflessibile verso razzi riutilizzabili e un aumento dei rapporti di spinta-peso ha posto richieste senza precedenti su componenti strutturali e a sezione calda. I motori di primo stadio, come quelli utilizzati nel Raptor SpaceX o Blue Origin BE‐4, operano a pressioni e temperature che potrebbero causare i costi convenzionali di acciaio o leghe di alluminio per fallire entro pochi secondi.

Cosa sono i Superalloy?

I superalloy sono leghe ad alte prestazioni tipicamente basate su nichel, cobalto o ferro-nichel, legate con elementi come cromo, alluminio, titanio, tungsteno, molibdeno e tantalio. La loro caratteristica distintiva è la capacità di mantenere la forza utile ad una grande frazione del loro punto di fusione. La maggior parte dei superleti deriva la loro forza da una combinazione di solid-solution indurimento fase di rinforzo e precipitazione, che ha raggiunto quest'ultimo

I sorpassi a base di nichel dominano l'industria dei razzi grazie alla loro resistenza superiore al strisciamento e all'ossidazione fino a circa 1.100 °C. Le varianti a base di cobalto sono utilizzate in cui la resistenza agli urti termici o la resistenza alla corrosione a caldo è fondamentale.

Le ultime innovazioni nella tecnologia Superalloy

Nel corso degli ultimi dieci anni, diversi progressi discreti hanno spinto le prestazioni di superalloy in un nuovo regime, che abbracciano la chimica delle leghe, la lavorazione e i rivestimenti protettivi.

Composizione avanzata: Microlegatura con metalli di rifrattorio

I sorpassi moderni incorporano livelli superiori di elementi refrattari per aumentare la temperatura del solvus della fase gamma-prime e migliorare la resistenza ad alta temperatura. Rhenium, rutenium e tantalum sono ora aggiunte comuni in superamento monocristallino di terza generazione e quarta generazione. Rhenium, in particolare, rallenta la diffusione e stabilizza la microstruttura, ma anche aumenta la densità e il costo.

Produzione additiva per geometrie complesse

La fusione a base di laser e la fusione di elettroni permette ora la fabbricazione di parti intrinseche di raffrescamento di componenti che sarebbero impossibili da lanciare o da lavorare. I produttori di motori a rocchetto utilizzano AM per produrre canali di raffreddamento intricati all'interno di camere e ugelli di combustione, riducendo il conteggio dei componenti e eliminando le saldature.

Rivestimenti per barriera termica e ambientale protettivi

Anche i migliori sovrapposizioni non possono resistere agli ambienti di combustione più gravi indefinitamente. I rivestimenti termici (TBC) basati su zirconia stabilizzata a yttria (YSZ) riducono la temperatura del metallo fino a 150 °C, mentre i rivestimenti di barriera ambientali (EBC) basati su silicati di rare-earth proteggono dalla corrosione a gas caldo.

Applicazioni nei veicoli di lancio dello spazio

I superlegati sono distribuiti su più sottosistemi di un veicolo di lancio, i seguenti tratti sono dettagliati sui loro utilizzi primari e sui benefici derivanti dalle recenti innovazioni.

Tubi motore e turbo-macchina

In un motore a rotella liquida, la turbina turbopomp deve girare a decine di migliaia di RPM mentre è guidata da gas caldi e parzialmente combustibile. Le pale e i dischi a turbina devono carichi centrifughi estremi e temperature elevate.

Camere e Ugelli di combustione

La camera di combustione sperimenta il flusso di calore più alto di qualsiasi componente. I liner da camera sono spesso realizzati in leghe di rame per conducibilità termica, ma la parete a gas caldo richiede una giacca strutturale o un rivestimento sovraccarico superlegato. In molti motori, la camera è un modello superiore in rame-legato con un guscio strutturale esterno nichel-superlegato. L’estensione dell’ugello, che funziona a temperatura inferiore ma ancora stressata, utilizza i superli come i tubi integrati Inconel 625.

Scudi di calore e protezione termica

Mentre molti scudi termici sono materiali ablativi, alcuni veicoli riutilizzabili richiedono protezione termica metallica. Il tappo del naso dello Space Shuttle e bordi ala che portano il carbonio-carbonio rinforzato, ma i veicoli alato di prossima generazione come il Dream Chaser stanno valutando i pannelli di superalloy rivestiti con TBC. Questi pannelli devono resistere a cicli di reinserimento multipli senza eccessiva ossidazione o distorsione.

Sfide e Frontiere di Ricerca attuali

Nonostante i guadagni impressionanti, rimangono diversi ostacoli. Il costo è un problema persistente: renio, rutenio e tantalio sono costosi, e alcune superlighe speciali possono costare più di $1,000 per chilogrammo. Scala-up di produzione additiva affronta anche ostacoli di controllo qualità-, in particolare per quanto riguarda la porosità e la consistenza microstrutturale.

Gli approcci basati sui dati stanno accelerando la scoperta di nuove superleghe. I modelli di apprendimento automatico formati su grandi database di proprietà termodinamiche e meccaniche possono prevedere composizioni promettenti prima di esperimenti costosi. Il Integrated Computational Materials Engineering (ICME)[]] viene utilizzato dai partner di settore per simulare l'intero ciclo di vita di un componente di tempo di superamento termico.

Prospettive future

La ricerca continua mira ad aumentare la temperatura operativa di superalloy di altri 50-100 °C, riducendo i costi e migliorando la manufacturability. Nuove tecniche di fabbricazione, come il getto del legante e la deposizione diretta dell'energia delle polveri superlilloy, sono state raffinate per gestire parti più grandi e geometrie più complesse. Allo stesso tempo, le strategie di riciclaggio per i superli' stanno diventando economicamente redditizie, in quanto il valore di elementi preziosi come la rima