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Sinterizzazione di polveri di Gamma-alluminuro di titanio mediante processi rapidi assistiti da corrente

Informazioni tesi

  Autore: Giovanni Marchitelli
  Tipo: Laurea liv.II (specialistica)
  Anno: 2010-11
  Università: Politecnico di Torino
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria dei Materiali
  Relatore: Giovanni Maizza
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 188

La seguente tesi di laurea ha come scopo lo studio della formatura e della sinterizzazione mediante la tecnica “Capacitive Discharge Sintering” (CDS) di polveri di γ-TiAl. Durante tale processo un compatto di polveri viene confinato nello spazio delimitato da uno stampo e da due punzoni scorrevoli. Questi ultimi svolgono la simultanea funzione di applicazione del carico meccanico e di trasferimento di una corrente elettrica di elevata intensità nelle polveri, la quale può raggiungere il valore di alcune centinaia di kA mm^2. Caratteristica peculiare degli apparati CDS è la capacità di fornire un’elevatissima corrente elettrica (grazie all’immagazzinamento di energia in un banco di condensatori) per intervalli di tempo di 16 – 20 ms. Grazie a queste caratteristiche il materiale è sottoposto a gradienti di riscaldamento / raffreddamento di 10^3-10^5 K / s. Questo permette il raggiungimento di una sinterizzazione ottimale caratterizzata dalla formazione di grani cristallini di dimensione ridotta e conseguenti ottime proprietà del materiale quanto a resistenza e tenacità o duttilità.

Sono state effettuate diverse campagne di sinterizzazione per otto differenti configurazioni punzoni-stampo e per varie combinazioni di parametri di Pressione [MPa] e tensione [kV]).
 Stampo in Grafite, punzoni in Mo. Questa configurazione ha permesso l’ottenimento di buone sinterizzazioni, ottenute sia attraverso la corrente che percorre il compatto di polveri, sia attraverso il riscaldamento dello stampo stesso
 Stampo in Grafite, punzoni in W-25Cu. Sono stati impiegati punzoni di diversa natura con lo stesso stampo, cambiando leggermente i valori di tensione e corrente dissipata; valgono le considerazioni fatte nel caso precedente
 Stampo in Ceramica balistica, punzoni in W-25Cu. Le correnti e le tensioni applicate con questa configurazione sono state modeste, ma hanno fornito ugualmente prodotti ben sinterizzati
 Stampo in allumina, punzoni in Mo. Con questa configurazione si sono ottenuti i risultati migliori dal punto di vista dell’omogeneità della sinterizzazione, avvenuta principalmente ad opera dell'elevata intensità di corrente elettrica
 Stampo in Grafite con anello in composito, punzoni in Mo. Con questa configurazione è stata sinterizzata una quantità doppia di polveri, ovvero 3,4 g, con buoni risultati dal punto di vista della densificazione, grazie all’elevato numero di impulsi forniti
 Stampo costituito da capsule in Cu elettrolitico, punzoni in Mo. Oltre che per valutare l’efficacia degli stampi in composito, questa campagna di sinterizzazione ha messo in luce l’efficacia nell'utilizzo di punzoni con battente arrotondato, capace di concentrare le polveri all’interno dello stampo
 Stampo costituito da capsule in Cu elettrolitico, punzoni in Mo – TZM. Configurazione analoga alla precedente, ma con punzoni aventi battente semisferico, in modo da concentrare con maggiore efficacia la corrente nelle polveri
 Stampo costituito da capsule in Cu elettrolitico, punzoni in PLE. Su capsule analoghe a quelle delle ultime due campagne di saldatura, sono stati impiegati punzoni PLE. I risultati sono stati buoni con densità uniforme in tutto il volume

Dalla valutazione dei valori di tensione massima ottenibili al variare delle configurazioni è stato possibile concludere che il grado di sinterizzazione ottenuta con CDS non cresce all’aumentare della tensione di picco imposta sul primario, in quanto ad una tensione elevata può corrispondere una corrente di sinterizzazione elevata solo con l’applicazione di una sufficiente forza applicata ai punzoni; ciò é utile al fine di evitare fenomeni di spark. Inoltre un valore di corrente di picco non è del tutto assicurata una buona sinterizzazione, poiché la corrente nel passare da un punzone all'altro può sia attraversare il compatto di polveri, oppure by-passare le polveri e coinvolgere invece lo stampo, promuovendo pertanto una sinterizzazione ibrida in parte resistiva e in parte per trasmissione indiretta di calore.

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Politecnico di Torino I Facoltà di Ingegneria DISMIC – Dipartimento di Scienza dei materiali e d Ingegneria Chimica 7 Introduzione Al giorno d‟oggi vi è una richiesta crescente nella realizzazione di sistemi per la conversione di energia orientati sia all‟aumento dell‟efficienza termodinamica sia alla compatibilità ambientale. Questo fa si che vengano richieste temperature di esercizio sempre più alte, peso ridotto e maggiori velocità operazionali. Ad esempio, come è noto, l‟efficienza di una turbina a gas aumenta di oltre l‟1% per ogni 10°C di incremento nella temperatura del gas in ingresso alla turbina. Inoltre un risparmio sostanziale di carburante sia nei velivoli destinati all‟aviazione sia negli impianti di generazione di potenza può essere ottenuto attraverso l‟impiego di nuovi materiali che possano sopportare temperature più elevate ed essere più leggeri. I sistemi basati su materiali metallici convenzionali usati correntemente sono stati sviluppati negli ultimi cinquanta anni. La loro tecnologia, quindi, è ormai matura e sono già stati portati al limite delle loro prestazioni. Per poter ottenere nuovi ed ulteriori sviluppi tecnologici, bisognerà orientarsi verso nuove classi di materiali. Le leghe a base di un componente intermetallico noto come alluminuro di titanio (TiAl), specialmente se utilizzato in fase gamma, sono state riconosciute essere candidate ad incontrare le richieste di progettazione sopra menzionate. Indubbiamente lo sviluppo di un materiale del genere ha influenze su tutte le tecnologie basate sull‟elevata temperatura. Ad esempio la General Electric ha reso noto che il suo nuovo prototipo di motore G-Enx-1B con cui viene equipaggiato il Boeing 787 Dreamliner prevede l‟utilizzo del TiAl come materiale strutturale. Questo tipo di applicazione costituisce una pietra miliare significativa per un materiale dallo sviluppo relativamente recente. Tutti gli alluminuri di titanio sono sovente oggetto di ricerca avanzata ed approfondita da parte dell‟intera comunità scientifica internazionale, delle università, dei centri di ricerca pubblici e privati e delle aziende, per una serie di interessanti proprietà meccaniche e funzionali. In particolare la capacità di conservare elevate prestazioni anche ad alta temperatura, rende questi materiali addirittura più performanti delle superleghe a base nichel, a base cobalto e ferro-nichel. L‟alluminuro di titanio, ed in particolare il γ-TiAl, è stato quindi inserito fra i materiali strutturali più significativi

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Parole chiave

alluminuro di titanio
scarica capacitiva
sinterizzazione
ecas
electric current assisted sintering
cds
sinterizzazione ultrarapida
capacitive discharge sintering
atomizzazione
sps
piga
tiga
eiga
tial
spark plasma sintering

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