Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
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Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
Su suggerimento di colui che tutto vede e tutto commenta, il nostro caro amico FAS, ho deciso di aprire un tread tecnico sul Laser Shock Peening. Che roba è??????
Breve introduzione:
Dagli anni 80 circa gli aeromobili vengono progettati con filosofia Damage Tollerance. Il nemico giurato dell’integrità strutturale di un aereo è la famosa CRICCA che può iniziarsi, crescere e portare a rottura un componente. Per ritardare la sua crescita si possono trattare determinate superifici in diversi modi, uno dei più famosi è lo shot peening. Brevemente esso consiste nel far cadere per gravità o sparare ad una certa velocità un certo quantitativo di sferette (di acciaio o vetro) sulla superficie da trattare. Le sferette plasticizzeranno la superficie del materiali e introdurranno tensioni residue di compressione (Residual Stress o RS) dentro il materiale. Immaginate di avere i vostri pungi spinti uno contro l’altro. Se qualcuno cercasse di dividerli con una mano messa a mò di lama non ce la farebbe perché i pungi cercherebbero di richiudersi… queste sono le tensioni residue mentre la lama-mano è la cricca.
Avvento del Laser Shock Peening:
Negli anni ’70 studiando cosa succedeva quando un laser veniva sparato su un metallo non in maniera continua ma ad impulsi, alcuni ricercatori in Ohio hanno scoperto che in particolari condizioni si potevano introdurre tensioni residua di compressione dentro i materiali metallici. La tecnologia venne brevettata, esportata negli anni ’80 in Europa e il primo utilizzatore fu, per ovvie ragioni di costi altissimi, l’USAF che la introdusse per aumentare la vita delle palette dei compressori dei motori del B-1B che trovandosi sotto la fusoliera, erano soggette a FOD = Foreing Object Damage. Successivamente a fine anni ’90 la tecnologia interessò moltissimo i Giapponesi che attraverso Toshiba iniziarono ad applicarla in alcuni componenti delle centrali nucleari. Attualmente aziende come General Electric, Rolls Royce e Boeing sono utilizzatrici del LSP, mentre aziende come Metal Improvement Company o LSPT Inc. (entrambe americane) e Toshiba (giapponese) sono aziende produttrici di laser peening.
Funzionamento del LSP:
Il processo di “pinnatura” di un componente prevede prima di tutto la corretta pulizia della superficie da pinnare. Dopodiché viene steso un sottilissimo strato generalmente di alluminio (carta stagnola per intenderci) e la superficie viene irrorata da uno strato sottile di acqua. Quando l’impulso laser viene lanciato sulla superficie, oltrepassa lo strato d’acqua in quanto trasparente e impatta con lo strato di alluminio. Essendo il raggio laser ad altissima densità di potenza (vedi oltre per qualche dato) lo strato di alluminio vaporizza istantaneamente. Il vapore però rimane intrappolato tra lo strato d’acqua e il materiale da trattare e diventa un vero e proprio plasma, quindi ad altissima temperatura e altissima pressione. Questo plasma cerca di espandersi generando onde di shock che penetrano nel materiale e compattano i piani cristallini. Quindi in generale il risultato è simile a quello dello shot peening ma la differenza fondamentale è che le tensioni residue in presenti in provini trattati con LSP arrivano anche a 3-4 mm di profondità mentre difficilmente superano i 0.5 mm in provini trattati con shot peening. La vita a fatica del pezzo trattato migliora notevolmente!
Qualche numero:
Generalmente i parametri principali dell’LSP sono 3:
• densità di potenza che si aggira intorno ai 4 GW per cm2,
• la durata dell’impulso dell’ordine generalmente dei 18 ns (18 miliardesimi di secondo!)
• numero di trattamenti ovvero quante volte lo stesso procedimento viene ripetuto sulla stessa superficie (1 è sufficiente solo in rari casi) e generalmente può andare dai 3 ai 30.
La lunghezza d’onda del laser è generalmente 1064 micrometri (infrarossi) o 532 micrometri (luce verde).
Una fondamentale accortezza: anche se il plasma come ho scritto raggiunge valori di pressione e temperatura altissimi, questo non fa dell’LSP un trattamento termico e la spiegazione è presto detta: se tutto il processo avviene in 18ns qualunque metallo non avrà mai sufficiente tempo per poter risentire di questa temperatura in superficie in quanto ogni metallo per quanto ottimo conduttore di calore ha pur sempre una certa inerzia nell’assorbire calore e non è certo dell’ordine di miliardesimi di secondo.
Inoltre se lo stesso procedimento viene effettuato su pannelli sottili, a fine trattamento questi si deformano cercando di eliminare gli stress residui presenti al loro interno. Se il trattamento viene effettuato in determinati punti ben noti allora si può fare assumere al pannello la geometria desiderata. Questo tipo di approccio viene detto FORMING.
Applicazioni aeronautiche:
Questa penso sia la parte che più interessa a tutti noi, ovviamente posso soltanto dirvi le applicazioni industriali pubblicate e non quelle in fase di ricerca. Ad ogni modo come già detto viene utilizzata su gran parte delle palette di motori aeronautici quindi dai motori del B-1B fino al Trent 1000 del B787, passando per la motorizzazione dell’A340 e del 777 mentre in campo militare viene utilizzato sull’F119 che motorizza l’F-22.
Per quanto riguarda il Forming, il procedimento è stato usato sulle ali del B747-8 entrambe le versioni ovviamente.
L’ultima applicazione in ordine cronologica risale all’anno scorso ed è stata ancora una volta sull’F-22 questa volta direttamente sulla struttura.. Qui mi fermo un attimo, mi accerterò che possa andare oltre perché sull’argomento non si trova nulla in rete però è stato presentato già a due conferenze perciò in teoria non è più un segreto!
Qualche informazione visiva:
Video edito dalla Metal Improvement Company sul funzionamento dell’LSP. Da metà video c’è l’applicazione vera e propria su uno disco palettato, i colpi o spari che si sentono sono dovuti all’espansione del plasma. Non sorprendetevi se non vedete il laser: non riusciamo a vedere gli infrarossi! nemmeno con questi
Purtroppo le immagini disponibili sull’argomento non sono molte e questo fa capire quanto l’argomento sia prima di tutto un po’ di nicchia e secondo ancora molto in via di sviluppo.
Spero di non avervi annoiato troppo, sono qui a disposizione per domande, chiarimenti e suggerimenti
Ste
Breve introduzione:
Dagli anni 80 circa gli aeromobili vengono progettati con filosofia Damage Tollerance. Il nemico giurato dell’integrità strutturale di un aereo è la famosa CRICCA che può iniziarsi, crescere e portare a rottura un componente. Per ritardare la sua crescita si possono trattare determinate superifici in diversi modi, uno dei più famosi è lo shot peening. Brevemente esso consiste nel far cadere per gravità o sparare ad una certa velocità un certo quantitativo di sferette (di acciaio o vetro) sulla superficie da trattare. Le sferette plasticizzeranno la superficie del materiali e introdurranno tensioni residue di compressione (Residual Stress o RS) dentro il materiale. Immaginate di avere i vostri pungi spinti uno contro l’altro. Se qualcuno cercasse di dividerli con una mano messa a mò di lama non ce la farebbe perché i pungi cercherebbero di richiudersi… queste sono le tensioni residue mentre la lama-mano è la cricca.
Avvento del Laser Shock Peening:
Negli anni ’70 studiando cosa succedeva quando un laser veniva sparato su un metallo non in maniera continua ma ad impulsi, alcuni ricercatori in Ohio hanno scoperto che in particolari condizioni si potevano introdurre tensioni residua di compressione dentro i materiali metallici. La tecnologia venne brevettata, esportata negli anni ’80 in Europa e il primo utilizzatore fu, per ovvie ragioni di costi altissimi, l’USAF che la introdusse per aumentare la vita delle palette dei compressori dei motori del B-1B che trovandosi sotto la fusoliera, erano soggette a FOD = Foreing Object Damage. Successivamente a fine anni ’90 la tecnologia interessò moltissimo i Giapponesi che attraverso Toshiba iniziarono ad applicarla in alcuni componenti delle centrali nucleari. Attualmente aziende come General Electric, Rolls Royce e Boeing sono utilizzatrici del LSP, mentre aziende come Metal Improvement Company o LSPT Inc. (entrambe americane) e Toshiba (giapponese) sono aziende produttrici di laser peening.
Funzionamento del LSP:
Il processo di “pinnatura” di un componente prevede prima di tutto la corretta pulizia della superficie da pinnare. Dopodiché viene steso un sottilissimo strato generalmente di alluminio (carta stagnola per intenderci) e la superficie viene irrorata da uno strato sottile di acqua. Quando l’impulso laser viene lanciato sulla superficie, oltrepassa lo strato d’acqua in quanto trasparente e impatta con lo strato di alluminio. Essendo il raggio laser ad altissima densità di potenza (vedi oltre per qualche dato) lo strato di alluminio vaporizza istantaneamente. Il vapore però rimane intrappolato tra lo strato d’acqua e il materiale da trattare e diventa un vero e proprio plasma, quindi ad altissima temperatura e altissima pressione. Questo plasma cerca di espandersi generando onde di shock che penetrano nel materiale e compattano i piani cristallini. Quindi in generale il risultato è simile a quello dello shot peening ma la differenza fondamentale è che le tensioni residue in presenti in provini trattati con LSP arrivano anche a 3-4 mm di profondità mentre difficilmente superano i 0.5 mm in provini trattati con shot peening. La vita a fatica del pezzo trattato migliora notevolmente!
Qualche numero:
Generalmente i parametri principali dell’LSP sono 3:
• densità di potenza che si aggira intorno ai 4 GW per cm2,
• la durata dell’impulso dell’ordine generalmente dei 18 ns (18 miliardesimi di secondo!)
• numero di trattamenti ovvero quante volte lo stesso procedimento viene ripetuto sulla stessa superficie (1 è sufficiente solo in rari casi) e generalmente può andare dai 3 ai 30.
La lunghezza d’onda del laser è generalmente 1064 micrometri (infrarossi) o 532 micrometri (luce verde).
Una fondamentale accortezza: anche se il plasma come ho scritto raggiunge valori di pressione e temperatura altissimi, questo non fa dell’LSP un trattamento termico e la spiegazione è presto detta: se tutto il processo avviene in 18ns qualunque metallo non avrà mai sufficiente tempo per poter risentire di questa temperatura in superficie in quanto ogni metallo per quanto ottimo conduttore di calore ha pur sempre una certa inerzia nell’assorbire calore e non è certo dell’ordine di miliardesimi di secondo.
Inoltre se lo stesso procedimento viene effettuato su pannelli sottili, a fine trattamento questi si deformano cercando di eliminare gli stress residui presenti al loro interno. Se il trattamento viene effettuato in determinati punti ben noti allora si può fare assumere al pannello la geometria desiderata. Questo tipo di approccio viene detto FORMING.
Applicazioni aeronautiche:
Questa penso sia la parte che più interessa a tutti noi, ovviamente posso soltanto dirvi le applicazioni industriali pubblicate e non quelle in fase di ricerca. Ad ogni modo come già detto viene utilizzata su gran parte delle palette di motori aeronautici quindi dai motori del B-1B fino al Trent 1000 del B787, passando per la motorizzazione dell’A340 e del 777 mentre in campo militare viene utilizzato sull’F119 che motorizza l’F-22.
Per quanto riguarda il Forming, il procedimento è stato usato sulle ali del B747-8 entrambe le versioni ovviamente.
L’ultima applicazione in ordine cronologica risale all’anno scorso ed è stata ancora una volta sull’F-22 questa volta direttamente sulla struttura.. Qui mi fermo un attimo, mi accerterò che possa andare oltre perché sull’argomento non si trova nulla in rete però è stato presentato già a due conferenze perciò in teoria non è più un segreto!
Qualche informazione visiva:
Video edito dalla Metal Improvement Company sul funzionamento dell’LSP. Da metà video c’è l’applicazione vera e propria su uno disco palettato, i colpi o spari che si sentono sono dovuti all’espansione del plasma. Non sorprendetevi se non vedete il laser: non riusciamo a vedere gli infrarossi! nemmeno con questi
Purtroppo le immagini disponibili sull’argomento non sono molte e questo fa capire quanto l’argomento sia prima di tutto un po’ di nicchia e secondo ancora molto in via di sviluppo.
Spero di non avervi annoiato troppo, sono qui a disposizione per domande, chiarimenti e suggerimenti
Ste
Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
Grazie e complimenti per la semplicitá dell'esposizione
potrebbe nascere una bella discussione .....
é strano leggere questi argomenti trattati con termini Italiani. Non sapevo che era stata utilizzata per la prima volta sul B1B.
Ci sono studi per utilizzare questa tecnologia anche per la rifinitura di componenti strutturali particolari ed anche per particolari riparazioni ove é necessario bloccare temporaneamente la propagazione della frattura.....Credo che in campo aeronautico diventerá lo stato dell'arte per la rilavorazioni di parti colpite da corrosione.
In piu con questa tecnica si riesce anche a trattare con piu efficacia gli elementi strutturali che hanno elevati angoli di curvatura cosa che risulta difficoltosa con le tecniche esistenti piu diffuse.
Fai bene a precisare che non é un processo termico...i dinosauri della materia ancora non ne sono convinti, ma questo é un loro problema...
Una domanda, per la tua ricerca ti stai orientando su di un materiale metallico in particolare per i test?
Avete un vostro laboratorio? mi potresti dare qualche numero con qualche esempio.......? spessore, stress residuo?
potrebbe nascere una bella discussione .....
é strano leggere questi argomenti trattati con termini Italiani. Non sapevo che era stata utilizzata per la prima volta sul B1B.
Ci sono studi per utilizzare questa tecnologia anche per la rifinitura di componenti strutturali particolari ed anche per particolari riparazioni ove é necessario bloccare temporaneamente la propagazione della frattura.....Credo che in campo aeronautico diventerá lo stato dell'arte per la rilavorazioni di parti colpite da corrosione.
In piu con questa tecnica si riesce anche a trattare con piu efficacia gli elementi strutturali che hanno elevati angoli di curvatura cosa che risulta difficoltosa con le tecniche esistenti piu diffuse.
Fai bene a precisare che non é un processo termico...i dinosauri della materia ancora non ne sono convinti, ma questo é un loro problema...
Una domanda, per la tua ricerca ti stai orientando su di un materiale metallico in particolare per i test?
Avete un vostro laboratorio? mi potresti dare qualche numero con qualche esempio.......? spessore, stress residuo?
"Il buon senso c'era; ma se ne stava nascosto, per paura del senso comune" (Alessandro Manzoni)
Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
Io non ne capisco niente di strutture, pero' questo l'ho capito...complimenti per la spiegazione.
Grazie
Marco
Grazie
Marco
- ciccioxx92
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Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
Complimenti per la spiegazione. Sono rimasto davvero appassionato dalla trattazione e dalla capacità espositiva ad un pubblico ignorante in materia (come me). Quindi grazie ancora di aver pubblicato queste informazioni tecniche.
Volevo rivolgerti un paio di domande.
Ho capito soltanto che più si va in profondità e meglio è.
Un'altra curiosità.
Le applicazioni aeronautiche sono solo sulle palette del fan? Non si può utilizzare per la fatica di altre parti di aereo?
Per il resto è tutto chiarissimo. Sei stato perfetto. Mi faresti da professore negli anni seguenti? O almeno da tutore.
Volevo rivolgerti un paio di domande.
Cosa s'intende per tensioni residue? In generale non mi è chiaro tanto questa parte.flyforever85 ha scritto:Quindi in generale il risultato è simile a quello dello shot peening ma la differenza fondamentale è che le tensioni residue in presenti in provini trattati con LSP arrivano anche a 3-4 mm di profondità mentre difficilmente superano i 0.5 mm in provini trattati con shot peening. La vita a fatica del pezzo trattato migliora notevolmente!
Ho capito soltanto che più si va in profondità e meglio è.
Un'altra curiosità.
Le applicazioni aeronautiche sono solo sulle palette del fan? Non si può utilizzare per la fatica di altre parti di aereo?
Per il resto è tutto chiarissimo. Sei stato perfetto. Mi faresti da professore negli anni seguenti? O almeno da tutore.
- flyforever85
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Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
Innanzitutto grazie a tutti e tre per i complimenti!!! Mi avete fatto arrossire non poco
Cerchero' di rispondere alle vostre domande:
Oltre a tutto cio' mi sto prendendo cura della teoria degli eigenstrain. Molto brevemente mi rivolgo a FAS senno' ho paura di andare off-topic: sia in shot che shock peening hai tensioni residue che puoi dividerle in tensioni puramente plastiche (eigenstrain) e tensioni puramente elastiche. Quando tagli il provino per misurare queste tensioni ovviamente perdi quelle elastiche Grazie a quelle puramente plastiche si puo’ attraverso determinati algoritmi risalire al residual stress profile prima del taglio! Quello che spetta a me e’ di dimostrare che il passaggio tra eigenstrain e profile di stress residui si puo’ fare con teorie lineari quindi molto molto semplici da usare.
Abbiamo un laboratorio sia per preparazione provini, per analisi metallografica, per analisi al microscopio SEM e TEM (ne abbiamo solo due in facolta’ di questi ultimi uno per noi e uno per I biologi!).
Gli esempi numerici te li scrivo stasera da casa che ho diversi dati nella tesi.
Per le applicazioni aeronautiche puoi leggere sopra la risposta data a FAS, inoltre ti posso dire questo. Al momento le applicazioni PUBBLICATE sono quelle che ti ho elencato, pero' va da se che tutte le aziende aeronautiche sono estremamente interessate e stanno sviluppando internamente la tecnologia. Alla conferenza c'erano delegazioni di Boeing, NASA e Airbus, USAF e via dicendo...
Per quanto riguarda le tensioni residue non ti preoccupare se il concetto non ti e' chiaro subito, quando ho cercato di spiegarlo a mia mamma mi disse: non ho capito niente dello stress residuo ma una cosa e' certa: io sono moooolto stressata!!
By the way: immagina di fare un bagaglio per Ryanair, devi portare 50 kg ma in una valiga 80cm per 20…. Che fai??? Butti tutto dentro e ti ci siedi sopra!! Chiudi e sei felice…giusto? Ora immagina che il provino di metallo sia la tua valiga e I vestiti I piani cristallini dentro il tuo provino Puo’ succedere che sballonzolando la valigia di qua e di la’ (cicli dell’aereo) la cerniera della valigia (cricca) inizia ad aprirsi un po’ e dai una volta e dai due volte la valiga si apre tutti I vestiti belli compressi schizzano fuori dalla valiga (collasso strutturale). Fai pero’ attenzione: in questo caso I vestiti (o piani cristallini) si trovano in tensioni residue di trazione (voglio uscire!) non compressione! Infatti appena gli do libero sfogo loro schizzano via! Immagina ora che I vestiti si comportino al contrario: nel momento in cui apri appena appena la cerniera della valigia I tuoi vestiti fanno in modo da richiudere velocemente la fessura aperta (nella realta’ non succede ma immagina che possa succedere invece!! O in parole piu’ tecniche: se una cricca si genera sul provino il metallo stesso cerca di richiuderla…
Non so se ti ho complicato ancora di piu’ la vita ad ogni modo te lo posso rispiegare altre volte se ti puo’ servire, ci mancherebbe!!!
Cerchero' di rispondere alle vostre domande:
In effetti e' proprio quello che si sta gia' facendo sull'F-22 e l'unico caso pubblicato attualmente. Piu' in dettaglio: dovuto ai carichi non certo leggeri che si becca l'F-22 sulle ali, i lug alari (per i non addetti ai lavori sono delle asole con cui si possono collegare ali e fusoliera) sono tutti criccati. Parliamo di blocchi non indifferenti di titanio!! In generale in questi casi si elimina la cricca in maniera tale da non avere piu' il difetto sul materiale e il restante si tratta con il laser peening.FAS ha scritto:[...] In piu con questa tecnica si riesce anche a trattare con piu efficacia gli elementi strutturali che hanno elevati angoli di curvatura cosa che risulta difficoltosa con le tecniche esistenti piu diffuse.
Per quello che riguarda la mia ricerca attualmente sto affrontando diversi percorsi per capire meglio quale strada prendere per i prossimi tre anni. In generale la mia universita' (Open University) e' specializzata in misurazione di stress residuo e quello che si sta prefiggendo di fare e' misurare questo stress su lamine con basso spessore, come 2mm tipico aeronautico. Allo stesso modo dovra' fare misurazioni su un provino piu' spesso che io stesso ho progettato durante la mia internship in airbus.FAS ha scritto:[...] Una domanda, per la tua ricerca ti stai orientando su di un materiale metallico in particolare per i test?
Avete un vostro laboratorio? mi potresti dare qualche numero con qualche esempio.......? spessore, stress residuo?
Oltre a tutto cio' mi sto prendendo cura della teoria degli eigenstrain. Molto brevemente mi rivolgo a FAS senno' ho paura di andare off-topic: sia in shot che shock peening hai tensioni residue che puoi dividerle in tensioni puramente plastiche (eigenstrain) e tensioni puramente elastiche. Quando tagli il provino per misurare queste tensioni ovviamente perdi quelle elastiche Grazie a quelle puramente plastiche si puo’ attraverso determinati algoritmi risalire al residual stress profile prima del taglio! Quello che spetta a me e’ di dimostrare che il passaggio tra eigenstrain e profile di stress residui si puo’ fare con teorie lineari quindi molto molto semplici da usare.
Abbiamo un laboratorio sia per preparazione provini, per analisi metallografica, per analisi al microscopio SEM e TEM (ne abbiamo solo due in facolta’ di questi ultimi uno per noi e uno per I biologi!).
Gli esempi numerici te li scrivo stasera da casa che ho diversi dati nella tesi.
Ovviamente ancora grazie mille!!!ciccioxx92 ha scritto:Complimenti per la spiegazione. Sono rimasto davvero appassionato dalla trattazione e dalla capacità espositiva ad un pubblico ignorante in materia (come me). Quindi grazie ancora di aver pubblicato queste informazioni tecniche.
Volevo rivolgerti un paio di domande.
Cosa s'intende per tensioni residue? In generale non mi è chiaro tanto questa parte.
Ho capito soltanto che più si va in profondità e meglio è.
Un'altra curiosità.
Le applicazioni aeronautiche sono solo sulle palette del fan? Non si può utilizzare per la fatica di altre parti di aereo?
Per le applicazioni aeronautiche puoi leggere sopra la risposta data a FAS, inoltre ti posso dire questo. Al momento le applicazioni PUBBLICATE sono quelle che ti ho elencato, pero' va da se che tutte le aziende aeronautiche sono estremamente interessate e stanno sviluppando internamente la tecnologia. Alla conferenza c'erano delegazioni di Boeing, NASA e Airbus, USAF e via dicendo...
Per quanto riguarda le tensioni residue non ti preoccupare se il concetto non ti e' chiaro subito, quando ho cercato di spiegarlo a mia mamma mi disse: non ho capito niente dello stress residuo ma una cosa e' certa: io sono moooolto stressata!!
By the way: immagina di fare un bagaglio per Ryanair, devi portare 50 kg ma in una valiga 80cm per 20…. Che fai??? Butti tutto dentro e ti ci siedi sopra!! Chiudi e sei felice…giusto? Ora immagina che il provino di metallo sia la tua valiga e I vestiti I piani cristallini dentro il tuo provino Puo’ succedere che sballonzolando la valigia di qua e di la’ (cicli dell’aereo) la cerniera della valigia (cricca) inizia ad aprirsi un po’ e dai una volta e dai due volte la valiga si apre tutti I vestiti belli compressi schizzano fuori dalla valiga (collasso strutturale). Fai pero’ attenzione: in questo caso I vestiti (o piani cristallini) si trovano in tensioni residue di trazione (voglio uscire!) non compressione! Infatti appena gli do libero sfogo loro schizzano via! Immagina ora che I vestiti si comportino al contrario: nel momento in cui apri appena appena la cerniera della valigia I tuoi vestiti fanno in modo da richiudere velocemente la fessura aperta (nella realta’ non succede ma immagina che possa succedere invece!! O in parole piu’ tecniche: se una cricca si genera sul provino il metallo stesso cerca di richiuderla…
Non so se ti ho complicato ancora di piu’ la vita ad ogni modo te lo posso rispiegare altre volte se ti puo’ servire, ci mancherebbe!!!
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Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
Ottimo esempio chiarificatore.flyforever85 ha scritto:immagina di fare un bagaglio per Ryanair, devi portare 50 kg ma in una valiga 80cm per 20…. Che fai??? Butti tutto dentro e ti ci siedi sopra!! Chiudi e sei felice…giusto? Ora immagina che il provino di metallo sia la tua valiga e I vestiti I piani cristallini dentro il tuo provino Puo’ succedere che sballonzolando la valigia di qua e di la’ (cicli dell’aereo) la cerniera della valigia (cricca) inizia ad aprirsi un po’ e dai una volta e dai due volte la valiga si apre tutti I vestiti belli compressi schizzano fuori dalla valiga (collasso strutturale). Fai pero’ attenzione: in questo caso I vestiti (o piani cristallini) si trovano in tensioni residue di trazione (voglio uscire!) non compressione! Infatti appena gli do libero sfogo loro schizzano via! Immagina ora che I vestiti si comportino al contrario: nel momento in cui apri appena appena la cerniera della valigia I tuoi vestiti fanno in modo da richiudere velocemente la fessura aperta (nella realta’ non succede ma immagina che possa succedere invece!! O in parole piu’ tecniche: se una cricca si genera sul provino il metallo stesso cerca di richiuderla…
Per quanto riguarda quello sottolineato, mi spieghi perché lo devo immaginare se non è realtà? Oppure è proprio questa nuova realtà? Cioè con questo sistema si riesce ad aumentare la volontà dei cristallini di rimarginare le cricche in modo "intrinseco"? Ho capito bene?
Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
Complimenti!
Ottima spiegazione e soprattutto grazie perchè seppure sono stata un'addetta ai lavori non ero a conoscenza di questa tecnologia.
Giusto per aggiungere un dettaglio lo shot peening viene usato ampiamente sui componenti dei motori per eliminare le tensioni residue indotte dai processi di lavorazione di macchina.
Per elementi critici come i dischi turbina, ad esempio, si tende a limitare il numero di shot peening perchè l'effetto ad un certo punto può essere inverso.
My two cents.
Ottima spiegazione e soprattutto grazie perchè seppure sono stata un'addetta ai lavori non ero a conoscenza di questa tecnologia.
Giusto per aggiungere un dettaglio lo shot peening viene usato ampiamente sui componenti dei motori per eliminare le tensioni residue indotte dai processi di lavorazione di macchina.
Per elementi critici come i dischi turbina, ad esempio, si tende a limitare il numero di shot peening perchè l'effetto ad un certo punto può essere inverso.
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La morte non sta nel non comunicare, ma nel non poter essere più compresi (Pier Paolo Pasolini)
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Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
Lo dovevi immaginare nel caso della valigia perché nella realtà della valigia comprimendoci i vestiti dentro loro cercheranno sempre e solo di uscire, mai di richiudersi dentro ancora di più. Mentre nel caso dei metalli lo puoi fare, puoi introdurre del materiale delle tensioni tali da poter rallentare la cricca.ciccioxx92 ha scritto:
Per quanto riguarda quello sottolineato, mi spieghi perché lo devo immaginare se non è realtà? Oppure è proprio questa nuova realtà? Cioè con questo sistema si riesce ad aumentare la volontà dei cristallini di rimarginare le cricche in modo "intrinseco"? Ho capito bene?
Se ti può aiutare pensa se ti fai un taglio: per richiudere la ferita cerchi ti avvicinare e due lati della ferita (non per niente ci metti i punti). Se la pelle del tuo braccio si trovasse in condizione di tensioni residue di compressione i due lembi della ferita tenderebbero ad avvicinarsi da soli perchè il materiale tutto in torno tenderebbe ad occupare tutto lo spazio visto che è in compressione... ho paura che se vado oltre ti faccio ancora più confusione quindi mi fermo sperando tu abbia capito! Sennò ricomincio magari con un esempio diverso...
Ti correggo solo su una cosa: a differenza di una ferita una cricca non la puoi rimarginare, puoi solo rallentare il suo processo di avanzamento. Il processo permette con le tensioni residue di compressione di mantenere i due lati della cricca il più vicino possibile in maniera tale da non far avanzare la cricca.
Innanzitutto grazie per i complimenti e grazie per il tuo contributo!butterfly ha scritto:Complimenti!
Ottima spiegazione e soprattutto grazie perchè seppure sono stata un'addetta ai lavori non ero a conoscenza di questa tecnologia.
Giusto per aggiungere un dettaglio lo shot peening viene usato ampiamente sui componenti dei motori per eliminare le tensioni residue indotte dai processi di lavorazione di macchina.
Per elementi critici come i dischi turbina, ad esempio, si tende a limitare il numero di shot peening perchè l'effetto ad un certo punto può essere inverso.
My two cents.
Se non ho capito male quindi nel caso delle palette dei dischi turbina si utilizza lo shot peening per introdurre compressioni residue che in questo caso vanno ad annullare le tensioni di trazioni già presenti e rendono di fatto la paletta priva di qualunque tensione residua.
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Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
Discussione interessantissima, con un'ottima e chiara esposizione dei concetti !!
Non conoscevo questa tecnica, ero rimasto alle "sferette" .
Discussione che spero proprio vada avanti,in modo da approfondire ulteriormente questo importante aspetto.
Paolo
Non conoscevo questa tecnica, ero rimasto alle "sferette" .
Discussione che spero proprio vada avanti,in modo da approfondire ulteriormente questo importante aspetto.
Paolo
"La corsa di decollo è una metamorfosi, ecco una quantità di metallo che si trasforma in aeroplano per mezzo dell'aria. Ogni corsa di decollo è la nascita di un aeroplano" (Staccando l'ombra da terra - D. Del Giudice)
Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
fly non parlavo di palette ma di dischi turbina, sulle palette turbina lo shot peening si fa sulle radici
come scrivevo sopra lo shot peening lo si fa sulle zone lavorate di macchina, la zona della paletta che è immersa nel flusso è ottenuta di casting non di macchina
come scrivevo sopra lo shot peening lo si fa sulle zone lavorate di macchina, la zona della paletta che è immersa nel flusso è ottenuta di casting non di macchina
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Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
Come promesso rispondo a FAS riguardo i dati numerici:
Innanzitutto è stato studiato che la temperatura raggiunta dal plasma si aggira intorno agli 8500 K (8230° C) mentre la pressione si aggira intorno ai 10 GPa. Con la velocità estremamente elevata dell'impulso soltanto i primi 100 nm di metallo risentono di questa temperatura e pressione.
Leghe di Titanio Ti6Al4V (una delle più usate in campo aeronautico): si usano densità di potenza dei laser che vanno dai 5 ai 10 GW/cm2. La Toshiba preferisce ripetere il trattamento molte volte (fino a 20) mentre la metal improvement non supera i 2 passaggi. Le tensioni massime raggiunte sono dell'ordine dei 600MPa per poi estinguersi nel primo 0,5 mm (dipende molto dallo spessore del provino)
AA2024 e 7075 (le leghe aeronautiche per antonomasia): un caso della Metal Improv. ha dimostrato che il picco di tensione max era di 260MPa, si estingueva in ben 1,5 mm (impossibile con lo shot peening) e la vita a fatica era di 5 volte superiore alla lega as-machined.
Stainless Steel: in questo caso con 10GW/cm2 si possono raggiungere i 1230MPa!! Come sempre i parametri in gioco variano molto ed inoltre se si aumenta la densità di potenza si rischia di avere una finitura superficiale davvero pessima.
Su quest'ultimo punto sottolineo una cosa: la finitura superficiale post shock peening è notevolmente superiore a quel dello shot peening e questo è già un ottimo punto di partenza per eventuali cricche.
Qui di seguito vi allego 2 foto e un disegno per farvi capire meglio cosa hanno fatto sull'F-22:
Il laser è portato su un truck costruito appositamente dalla Metal Improvement:
Quello che vedete è tutto un robot che contiene il sistema ottico per far passare il laser dal camion fino al lug dell'F-22.
Questo è il disegno di come il tutto viene montano quindi: il laser viene generato dentro il truck, passa dentro la testa ottica che ne corregge le distorsioni e omogenizza la potenza e viene sparato sul lug. Se non ricordo male ci vuole 1 mese per montare e smontare e trattare tutti i lug.
P.s. stavo giusto caricando il mio ultimo post quando:
Innanzitutto è stato studiato che la temperatura raggiunta dal plasma si aggira intorno agli 8500 K (8230° C) mentre la pressione si aggira intorno ai 10 GPa. Con la velocità estremamente elevata dell'impulso soltanto i primi 100 nm di metallo risentono di questa temperatura e pressione.
Leghe di Titanio Ti6Al4V (una delle più usate in campo aeronautico): si usano densità di potenza dei laser che vanno dai 5 ai 10 GW/cm2. La Toshiba preferisce ripetere il trattamento molte volte (fino a 20) mentre la metal improvement non supera i 2 passaggi. Le tensioni massime raggiunte sono dell'ordine dei 600MPa per poi estinguersi nel primo 0,5 mm (dipende molto dallo spessore del provino)
AA2024 e 7075 (le leghe aeronautiche per antonomasia): un caso della Metal Improv. ha dimostrato che il picco di tensione max era di 260MPa, si estingueva in ben 1,5 mm (impossibile con lo shot peening) e la vita a fatica era di 5 volte superiore alla lega as-machined.
Stainless Steel: in questo caso con 10GW/cm2 si possono raggiungere i 1230MPa!! Come sempre i parametri in gioco variano molto ed inoltre se si aumenta la densità di potenza si rischia di avere una finitura superficiale davvero pessima.
Su quest'ultimo punto sottolineo una cosa: la finitura superficiale post shock peening è notevolmente superiore a quel dello shot peening e questo è già un ottimo punto di partenza per eventuali cricche.
Qui di seguito vi allego 2 foto e un disegno per farvi capire meglio cosa hanno fatto sull'F-22:
Il laser è portato su un truck costruito appositamente dalla Metal Improvement:
Quello che vedete è tutto un robot che contiene il sistema ottico per far passare il laser dal camion fino al lug dell'F-22.
Questo è il disegno di come il tutto viene montano quindi: il laser viene generato dentro il truck, passa dentro la testa ottica che ne corregge le distorsioni e omogenizza la potenza e viene sparato sul lug. Se non ricordo male ci vuole 1 mese per montare e smontare e trattare tutti i lug.
P.s. stavo giusto caricando il mio ultimo post quando:
Mi fa davvero piacere!!!! Spero con quest'ultimo post di avervi ulteriormente aiutati!JT8D ha scritto:Discussione interessantissima, con un'ottima e chiara esposizione dei concetti !!
Non conoscevo questa tecnica, ero rimasto alle "sferette" .
Discussione che spero proprio vada avanti,in modo da approfondire ulteriormente questo importante aspetto.
Paolo
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Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
Ok grazie mille! Solo una domanda: successivamente al casting non c'è una lavorazione per lucidare la paletta? Da quanto so il casting non da come risultato una buona finitura superficiale, nemmeno quella in conchiglia che è considerata una delle migliori.butterfly ha scritto:fly non parlavo di palette ma di dischi turbina, sulle palette turbina lo shot peening si fa sulle radici
come scrivevo sopra lo shot peening lo si fa sulle zone lavorate di macchina, la zona della paletta che è immersa nel flusso è ottenuta di casting non di macchina
Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
le palette di turbina di bassa non si lucidano perchè per i materiali usati (single crystal o Directional Solified) ogni lavorazione altererebbe la struttura (ad esempio da monograno potresti generare un grano secondario) con conseguente perdita delle caratteristiche meccaniche
le palette di turbina di bassa (e anche i vanes) spesso vengono ricoperti da coating a base di cromo o alluminio per proteggere il metallo dalla corrosione (questo relativamente alla parte dell'airfoil)
nella radice pala invece (il cosidetto dovetail o pino rovescio) essendo una zona lavorata di macchina si fa la pallinatura così diminuire le tensioni residue
le palette di turbina di bassa (e anche i vanes) spesso vengono ricoperti da coating a base di cromo o alluminio per proteggere il metallo dalla corrosione (questo relativamente alla parte dell'airfoil)
nella radice pala invece (il cosidetto dovetail o pino rovescio) essendo una zona lavorata di macchina si fa la pallinatura così diminuire le tensioni residue
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Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
Grazie mille butterfly!!! Ho un'ultima domanda per te già che ci sono: i fori praticati sulle palette che generalmente servono per creare uno strato limite che protegge le palette dal surriscaldamento, come vengono prodotti visto che il monocristallo è molto delicato? Inoltre: qualunque paletta è fatta da monocristallo o solamente quelle presenti negli stadi della turbina di alta pressione?
Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
Ciao,
che bel progetto! Mi vengono in mente due curiosità.
Rispetto alla pallinatura tradizionale e alla micropallinatura, il vantaggio principale del laser peening è di poterlo fare su componenti più grandi, corretto? (edit: ho letto meglio della profondità maggiore)
e poi: come misurate gli sforzi residui?
Ciao!
che bel progetto! Mi vengono in mente due curiosità.
Rispetto alla pallinatura tradizionale e alla micropallinatura, il vantaggio principale del laser peening è di poterlo fare su componenti più grandi, corretto? (edit: ho letto meglio della profondità maggiore)
e poi: come misurate gli sforzi residui?
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Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
1° risposta: il LSP si può fare su componenti piccoli a grandi a piacere però non lo definirei il vantaggio principale. Il vero vantaggio dell'LSP è di andare più in profondità rispetto alle shot peening quindi il pezzo trattato con LSP si rompe più tardi di un pezzo trattato con shot peening tutto qui. Poi sicuramente ci sono altri aspetti vincenti ma altri non vincenti come il costo prima di tutto, la trasportabilità e ovviamente tutte le protezioni dovute al caso visto che è un laser ad altissima energia.Dav ha scritto:Ciao,
che bel progetto! Mi vengono in mente due curiosità.
Rispetto alla pallinatura tradizionale e alla micropallinatura, il vantaggio principale del laser peening è di poterlo fare su componenti più grandi, corretto?
e poi: come misurate gli sforzi residui?
Ciao!
2° risposta: bellissima domanda! Fai conto che per il mio PhD il mio supervisor è uno degli esperti internazionali del settore. Brevemente: ci sono moltissimi metodi come il Neutron diffraction, l'X-ray difraction, hole drilling, counthor method ecc.
Ti parlo solo di quest'ultimo intanto che è molto semplice da capire secondo me: fondamentalmente è una tecnica distruttiva ovvero tu prendi il provino già trattato LSP e lo tagli in due. Con degli estensimetri misuri le deformazioni che il materiale a questo punto può liberamente assumere visto che non è più compresso. Nel frattempo ti disegni un provino identico con i metodi FEM e imponi le deformazioni realmente misurate al modellino FEM come se fosse un input nella sezione interessata. Come output il modellino ti darà la tensioni interne che corrispondono alle deformazioni che gli hai imposto....e guarda caso saranno proprio le tensioni residue del provino! Geniale Vero? Fai i complimenti a Mike Prime, l'autore di tutto ciò
Aiuto mi dilungo sempre troppo
Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
Veramente una discussione con i controfiocchi.
Se ho capito bene il meccanismo secondo cui si generano le sollecitazioni sul pezzo il laser fa "evaporare" una piccola frazione di alluminio che, a quello stato (gassoso), tende ad espandersi generando l'onda d'urto che impattando sul pezzo provoca appunto la sollecitazione. (Un meccanismo vagamente simile a quello che provoca i danni da cavitazione sulle eliche navali).
Se ho capito bene il meccanismo secondo cui si generano le sollecitazioni sul pezzo il laser fa "evaporare" una piccola frazione di alluminio che, a quello stato (gassoso), tende ad espandersi generando l'onda d'urto che impattando sul pezzo provoca appunto la sollecitazione. (Un meccanismo vagamente simile a quello che provoca i danni da cavitazione sulle eliche navali).
Massimiliano
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Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
Veramente un'ottima osservazione. Pensa che durante l'ultima conferenza ad Osaka c'è stato un paper in cui si presentava una tecnica che sfruttava il processo di cavitazione per generare bolle d'aria abbastanza piccole e abbastanza resistenti da poter "pallinare" una superficie di metallo, ovviamente il tutto sott'acqua.max70 ha scritto:Veramente una discussione con i controfiocchi.
Se ho capito bene il meccanismo secondo cui si generano le sollecitazioni sul pezzo il laser fa "evaporare" una piccola frazione di alluminio che, a quello stato (gassoso), tende ad espandersi generando l'onda d'urto che impattando sul pezzo provoca appunto la sollecitazione. (Un meccanismo vagamente simile a quello che provoca i danni da cavitazione sulle eliche navali).
Appena renderanno disponibili le presentazioni di Osaka potrei farti avere il paper se vuoi leggertelo per curiosità
Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
Grazie per i valori...interessante
chi c'era di AIB? quelli di HAM o BRE???
A Nordenham stavano ad un buon punto sullo studio
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A Nordenham stavano ad un buon punto sullo studio
"Il buon senso c'era; ma se ne stava nascosto, per paura del senso comune" (Alessandro Manzoni)
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Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
Di Airbus c'era il mio ex capo di Amburgo. Mentre di EADS c'era un collega di Ottobrunn
Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
Se ti interessa noi abbiamo la possibilità di fare XRD.
Giusto stamattina ho sentito la presentazione di un gruppo di ricerca che riesce a misurare le tensioni residue con il rumore di Barkhausen.
Giusto stamattina ho sentito la presentazione di un gruppo di ricerca che riesce a misurare le tensioni residue con il rumore di Barkhausen.
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Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
Puoi darmi qualche info in piu' su entrambe le cose? Quando parli di NOI a chi ti riferisci? Se preferisci scrive in privatoDav ha scritto:Se ti interessa noi abbiamo la possibilità di fare XRD.
Giusto stamattina ho sentito la presentazione di un gruppo di ricerca che riesce a misurare le tensioni residue con il rumore di Barkhausen.
Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
Si, più che altro perché non so fino a che punto posso far girare il materiale
Ciao!
Ciao!
Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
Magari, grazie, intamto qualche altra curiosità...flyforever85 ha scritto:...Appena renderanno disponibili le presentazioni di Osaka potrei farti avere il paper se vuoi leggertelo per curiosità
Perchè il risultato sia quello voluto immagino che l'intera superficie del pezzo da trattare deve essere "bombardata", credo che l'impronta generata da un singolo impulso laser sia molto piccola, dunque, come ci si assicura che l'intera superficie venga coperta? Grazie al movimento della testa laser oppure grazie al numero di "passate"?
Trattando la stessa area più volte si ottiene un incremento del risultato?
Uno degli effetti del trattamento dovrebbe essere un aumento della durezza, non sarebbe possibile utilizzare questo parametro per valutare indirettamente le tensioni residue, almeno grossolanamente?
Grazie in anticipo e complimenti
Massimiliano
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Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
Entrambe sono fondamentali! Vado un po' più nel dettaglio se riesco senza intorcolarmi facendo un'importante premessa: quando un laser viene generato, la sua "estremità" che andrà a colpire il bersaglio ha una distribuzione spaziale di energia a campana (o a punta di matita se preferite o per i più audaci ha una distribuzione Gaussiana) quindi vuol dire che nel centro del laser l'energia è molto alta mentre su tutto il bordo del fascio laser l'energia è più bassa. Quando il laser colpisce la superficie target, non tutta l'aerea colpita dal singolo fascio laser avrà subito lo stesso trattamento (immaginate di perforare una spugna con una matita: dove la matita è più appuntita entrerà di più nella spugna). Allora per fare in modo che tutta la superficie trattata possa avere le stesse tensioni residue si attuano due "correzzioni": 1-attraverso dispositivi ottici (di cui non so molto perché entriamo nella fisica dei laser) il profilo energetico "a matita" diventa un profilo energetico a "trapezio" quindi l'energia viene maggiormente omogeneizzata su tutta l'aerea del fascio laser anche se ancora rimangono alcuni problemi (ma di minore entità) sui bordi. Per eliminare anche questo secondo problema si attua la correzione numero 2-si eseguono più di una passata (generalmente il minimo è 3) però le passate successive alla prima vengono vengono sfasate/shiftate in maniera tale che la superficie che è stata colpita dalla parte con minore energia del laser, in seconda e terza passata venga colpita dalla parte con maggiore energia e viceversa. (Ti ringrazio di avermi fatto notare questa cosa perché non l'avevo sottolineato nella presentazione dell'LSP invece è importantissimo questo aspetto).max70 ha scritto: Perchè il risultato sia quello voluto immagino che l'intera superficie del pezzo da trattare deve essere "bombardata", credo che l'impronta generata da un singolo impulso laser sia molto piccola, dunque, come ci si assicura che l'intera superficie venga coperta? Grazie al movimento della testa laser oppure grazie al numero di "passate"?
max70 ha scritto:
Trattando la stessa area più volte si ottiene un incremento del risultato?
In linea generale si tant'è che se utilizzi il Laser Peening con i valori usati dalla Toshiba (quindi energie in gioco molto basse) facendo solo una passata, introduci tensioni residue di trazione! Invece aumentando il numero di passate introduci sempre più tensioni di compressione residue. Però occhio che ogni volta che si spara comunque ne perdi in termini di qualità superficiale e nemmeno questo va bene!
Personalmente non ho mai letto di studi in cui si cerca di legare la durezza alle tensioni residue perciò non posso risponderti alla domanda. Una cosa è certa: la durezza è (passami il termine) soggettiva, nel senso che dipende molto dal penetratore che usi per testarla (durezze Rockwell B e C, durezza Vickers, Brinell ecc) mentre le tensioni residue sono univoche. Dato che mi hai fatto venire la curiosità provo ad informarmi se è stato studiato un possibile legame tra i due fattori e spero di farti sapere qualcosa.max70 ha scritto:
Uno degli effetti del trattamento dovrebbe essere un aumento della durezza, non sarebbe possibile utilizzare questo parametro per valutare indirettamente le tensioni residue, almeno grossolanamente?
Grazie in anticipo e complimenti
Grazie ancora per i feed-back che mandate
Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
L'idea mi era venuta perchè dalla descrizione del processo penso che la zona colpita dall'impulso laser debba risultare incrudita. Ed all'incrudimento corrisponde, in genere, un aumento di durezza.flyforever85 ha scritto: Personalmente non ho mai letto di studi in cui si cerca di legare la durezza alle tensioni residue perciò non posso risponderti alla domanda...
Tuttavia, pensandoci ancora, può essere che lo "strato" trattato risulti così sottile tanto da non rendere possibile la misurazione della durezza in quanto il penetratore (di qualunque forma/sistema sia) superi immediatamente il sottile strato trattato e vada quindi a misurare, sostanzialmente, la durezza del materiale non trattato.
Massimiliano
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Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
Come hai detto tu la durezza interessa solo una parte molto superficiale del provino e per quanto ne so in alcune presentazioni c'era la misurazione della durezza tra i parametri studiati. Adesso come adesso non ho dei valori sottomano ma non appena avrò le presentazioni sottomano vi farò avere i dati quantitativimax70 ha scritto:
L'idea mi era venuta perchè dalla descrizione del processo penso che la zona colpita dall'impulso laser debba risultare incrudita. Ed all'incrudimento corrisponde, in genere, un aumento di durezza.
Tuttavia, pensandoci ancora, può essere che lo "strato" trattato risulti così sottile tanto da non rendere possibile la misurazione della durezza in quanto il penetratore (di qualunque forma/sistema sia) superi immediatamente il sottile strato trattato e vada quindi a misurare, sostanzialmente, la durezza del materiale non trattato.
Re: Laser Shock Peening - Lunga vita agli aerei in tutti i sensi
grazie infinite per la spiegazione, argomento interessante.flyforever85 ha scritto:Su suggerimento di colui che tutto vede e tutto commenta, il nostro caro amico FAS, ho deciso di aprire un tread tecnico sul Laser Shock Peening. Che roba è??????
Breve introduzione:
Dagli anni 80 circa gli aeromobili vengono progettati con filosofia Damage Tollerance. Il nemico giurato dell’integrità strutturale di un aereo è la famosa CRICCA che può iniziarsi, crescere e portare a rottura un componente. Per ritardare la sua crescita si possono trattare determinate superifici in diversi modi, uno dei più famosi è lo shot peening. Brevemente esso consiste nel far cadere per gravità o sparare ad una certa velocità un certo quantitativo di sferette (di acciaio o vetro) sulla superficie da trattare. Le sferette plasticizzeranno la superficie del materiali e introdurranno tensioni residue di compressione (Residual Stress o RS) dentro il materiale. Immaginate di avere i vostri pungi spinti uno contro l’altro. Se qualcuno cercasse di dividerli con una mano messa a mò di lama non ce la farebbe perché i pungi cercherebbero di richiudersi… queste sono le tensioni residue mentre la lama-mano è la cricca.
Avvento del Laser Shock Peening:
Negli anni ’70 studiando cosa succedeva quando un laser veniva sparato su un metallo non in maniera continua ma ad impulsi, alcuni ricercatori in Ohio hanno scoperto che in particolari condizioni si potevano introdurre tensioni residua di compressione dentro i materiali metallici. La tecnologia venne brevettata, esportata negli anni ’80 in Europa e il primo utilizzatore fu, per ovvie ragioni di costi altissimi, l’USAF che la introdusse per aumentare la vita delle palette dei compressori dei motori del B-1B che trovandosi sotto la fusoliera, erano soggette a FOD = Foreing Object Damage. Successivamente a fine anni ’90 la tecnologia interessò moltissimo i Giapponesi che attraverso Toshiba iniziarono ad applicarla in alcuni componenti delle centrali nucleari. Attualmente aziende come General Electric, Rolls Royce e Boeing sono utilizzatrici del LSP, mentre aziende come Metal Improvement Company o LSPT Inc. (entrambe americane) e Toshiba (giapponese) sono aziende produttrici di laser peening.
Funzionamento del LSP:
Il processo di “pinnatura” di un componente prevede prima di tutto la corretta pulizia della superficie da pinnare. Dopodiché viene steso un sottilissimo strato generalmente di alluminio (carta stagnola per intenderci) e la superficie viene irrorata da uno strato sottile di acqua. Quando l’impulso laser viene lanciato sulla superficie, oltrepassa lo strato d’acqua in quanto trasparente e impatta con lo strato di alluminio. Essendo il raggio laser ad altissima densità di potenza (vedi oltre per qualche dato) lo strato di alluminio vaporizza istantaneamente. Il vapore però rimane intrappolato tra lo strato d’acqua e il materiale da trattare e diventa un vero e proprio plasma, quindi ad altissima temperatura e altissima pressione. Questo plasma cerca di espandersi generando onde di shock che penetrano nel materiale e compattano i piani cristallini. Quindi in generale il risultato è simile a quello dello shot peening ma la differenza fondamentale è che le tensioni residue in presenti in provini trattati con LSP arrivano anche a 3-4 mm di profondità mentre difficilmente superano i 0.5 mm in provini trattati con shot peening. La vita a fatica del pezzo trattato migliora notevolmente!
Qualche numero:
Generalmente i parametri principali dell’LSP sono 3:
• densità di potenza che si aggira intorno ai 4 GW per cm2,
• la durata dell’impulso dell’ordine generalmente dei 18 ns (18 miliardesimi di secondo!)
• numero di trattamenti ovvero quante volte lo stesso procedimento viene ripetuto sulla stessa superficie (1 è sufficiente solo in rari casi) e generalmente può andare dai 3 ai 30.
La lunghezza d’onda del laser è generalmente 1064 micrometri (infrarossi) o 532 micrometri (luce verde).
Una fondamentale accortezza: anche se il plasma come ho scritto raggiunge valori di pressione e temperatura altissimi, questo non fa dell’LSP un trattamento termico e la spiegazione è presto detta: se tutto il processo avviene in 18ns qualunque metallo non avrà mai sufficiente tempo per poter risentire di questa temperatura in superficie in quanto ogni metallo per quanto ottimo conduttore di calore ha pur sempre una certa inerzia nell’assorbire calore e non è certo dell’ordine di miliardesimi di secondo.
Inoltre se lo stesso procedimento viene effettuato su pannelli sottili, a fine trattamento questi si deformano cercando di eliminare gli stress residui presenti al loro interno. Se il trattamento viene effettuato in determinati punti ben noti allora si può fare assumere al pannello la geometria desiderata. Questo tipo di approccio viene detto FORMING.
Applicazioni aeronautiche:
Questa penso sia la parte che più interessa a tutti noi, ovviamente posso soltanto dirvi le applicazioni industriali pubblicate e non quelle in fase di ricerca. Ad ogni modo come già detto viene utilizzata su gran parte delle palette di motori aeronautici quindi dai motori del B-1B fino al Trent 1000 del B787, passando per la motorizzazione dell’A340 e del 777 mentre in campo militare viene utilizzato sull’F119 che motorizza l’F-22.
Per quanto riguarda il Forming, il procedimento è stato usato sulle ali del B747-8 entrambe le versioni ovviamente.
L’ultima applicazione in ordine cronologica risale all’anno scorso ed è stata ancora una volta sull’F-22 questa volta direttamente sulla struttura.. Qui mi fermo un attimo, mi accerterò che possa andare oltre perché sull’argomento non si trova nulla in rete però è stato presentato già a due conferenze perciò in teoria non è più un segreto!
Qualche informazione visiva:
Video edito dalla Metal Improvement Company sul funzionamento dell’LSP. Da metà video c’è l’applicazione vera e propria su uno disco palettato, i colpi o spari che si sentono sono dovuti all’espansione del plasma. Non sorprendetevi se non vedete il laser: non riusciamo a vedere gli infrarossi! nemmeno con questi
Purtroppo le immagini disponibili sull’argomento non sono molte e questo fa capire quanto l’argomento sia prima di tutto un po’ di nicchia e secondo ancora molto in via di sviluppo.
Spero di non avervi annoiato troppo, sono qui a disposizione per domande, chiarimenti e suggerimenti
Ste