Sperimentazione dei materiali ceramici per gli ugelli
 

25-02-2015

 Tecnologie dei materiali

Sperimentazione dei materiali ceramici per gli ugelli

I blocchetti in ceramica
Burning test
Risultato dopo il test



L'ugello del motore a razzo e' il componente piu' soggetto a stress termici e meccanici.
Nel motore Vulcan 400 l'ugello e' realizzato in acciaio speciale con ottima resistenza alla temperatura e durante i quattro secondi di accensione non ha mai sofferto danni particolari. Dopo il lancio era perfettamente riutilizzabile.
Lo stesso ugello, installato nel motore Vulcan 600, che rimane acceso per piu' di sei secondi) ha invece manifestato problemi di tenuta e spesso dopo la prima accensione si presentava cosi' deteriorato da consigliarne la sostituzione.
Le specifiche di progetto del nuovo motore Vulcan 1600 prevedono tempi di accensioni fino ai 10 secondi, si e' cosi' posta la necessita' di trovare nuovi materiali in grado di resistere alle elevate temperature e all'attrito dei gas di scarico.
I materiali metallici non offrivano molte possibilita', a meno di optare per leghe speciali al tungsteno, purtroppo difficilmente reperibili, costose e soprattutto quasi impossibili da lavorare.
La grafite sembrava la scelta obbligata, se non per il fatto che la scarsa consistenza meccanica obbligava la sostituzione dell'ugello ad ogni lancio.
Si e' cosi' deciso di sperimentare alcuni materiali ceramici, basati su mescole e composizioni diverse.

Sono stati testati i seguenti materiali in formulazioni e proporzioni diverse:

argilla rossa (gres) (Al2O3.2SiO2.2H2O)
argilla bianca (ball clays) (Al2O3.2SiO2.2H2O)
silice (SiO2)
feldspato sodico(Na2O.Al2O3.6SiO2)
caolino (Al2O3.2SiO2.2H2O)
calcio carbonato(CaCO3)
borace (Na2O.B2O3.10H2O)

Il caolino puro si e' dimostrato il materiale migliore dal punto di vista termico, ha resistito infatti alla temperatura di 1800 gradi senza deteriorarsi.
Ma le scarse caratteristiche meccaniche hanno consigliato il suo impiego insieme a degli addittivi.
La mescola piu' adatta al nostro uso si e' dimostrata la seguente:

Caolino(50%), argilla bianca (25%), feldspato(15%), silice (10%).


Con l'impasto cosi' ottenuto sono stati sagomati dei blocchetti cilindrici, successivamente cotti in forno per ceramica alla temperatura di 1300 gradi per 12 ore.
A fine cottura si e' verificato il calo dimensionale, fenomeno comune in tutte le argille e quantificabile in questo caso nell'8%.
E' percio' importante ricordare che nella preparazione dello stampo formatore dell'ugello le sue dimensioni esterne devono essere maggiori dell'8% rispetto a quelle di progetto, quelle interne dvono invece essere inferiori per compensare il calo dimensionale.

Nella prima foto si possono vedere i blocchetti di test pronti per la prova a fuoco.
Nella seconda foto sono sottoposti all'alta temperatura di un cannello ossiacetilenico per la durata di 15 secondi.
Nella terza foto, il blocchetto ancora incandescente ma fisicamente intatto.