Studio delle proprietà meccaniche e progettazione di test accelerati di materiali ceramici a base Si3N4 per applicazione a componenti di turbine a gas

In the development of new generation of gas turbine engine and turbomachinery, providing reliable ceramic components is a challenge that ensures low heat losses and low weight, reducing fuel consumption. Among the new technologically advanced ceramics, silicon nitride stands out for its high mechanical properties and good thermal shock resistance. In this work, production process, problems and mechanisms driving propagation of fatigue cracks in the material are investigated. The study of the material behaviour, subjected to thermal cycles, needs the realization of a test rig for testing silicon nitride specimens. For this purpose, FEM calculations were carried out to examine the state of stress generated by thermal cycling and to estimate fatigue life. The work of this thesis is concluded by the functional design of a test rig, in order to assess overall dimensions and feasibility.

Nello sviluppo di motori a combustione interna e turbomacchine di nuova generazione, una sfida è fornire componenti ceramici affidabili che assicurino basse perdite di calore e peso ridotto, riducendo così il consumo di carburante. Tra le nuove ceramiche tecnologicamente avanzate spicca il nitruro di silicio per le sue elevate qualità meccaniche e per la buona resistenza agli shock termici. Nel presente lavoro, vengono illustrati il processo produttivo, le problematiche e i meccanismi che accompagnano la propagazione di cricche di fatica nel materiale. Lo studio del comportamento del materiale sottoposto a cicli termici rende necessario la realizzazione di un dispositivo di prova sul quale testare dei provini in nitruro di silicio. A tal scopo si sono effettuati calcoli FEM per esaminare lo stato di sforzo generato e stimata la durata a fatica. Il lavoro si conclude con una progettazione funzionale del dispositivo di prova, al fine di valutare ingombri e fattibilità di realizzazione.