Affaticamento termico negli ugelli Inconel: analisi forense tridimensionale di un guasto catastrofico

Il mese scorso, un motore a razzo sperimentale ha fallito in modo violento durante una prova statica al banco. L'ugello, realizzato in Inconel 718 tramite fusione su letto di polvere (PBF-LB), si è fratturato in molteplici frammenti. Il team di ingegneria ha avviato un'analisi forense digitale utilizzando GOM Inspect per scansionare i resti e ricostruire la geometria originale. L'obiettivo era determinare se il guasto fosse stato causato da affaticamento termico ciclico o da un difetto di fusione negli strati interni del componente.

Ricostruzione volumetrica e simulazione CFD termica in ANSYS Fluent 🔥

La pipeline è iniziata con la scansione ottica ad alta risoluzione dei frammenti dell'ugello. GOM Inspect ha permesso di allineare i pezzi e generare una mesh di superficie che è stata esportata in nTopology. Qui è stata eseguita una ricostruzione volumetrica per riempire le zone mancanti e creare un modello solido completo. Questo modello è stato importato in ANSYS Fluent per una simulazione CFD termica accoppiata. Sono state applicate condizioni al contorno rappresentative del test: flusso di gas a 3200 K e pressione della camera a 70 bar. I risultati hanno mostrato un gradiente termico estremo nella gola dell'ugello, con temperature superficiali superiori a 1400 K. L'analisi delle tensioni ha rivelato che le zone di maggiore stress coincidevano con le linee di frattura osservate nei resti.

Lezioni sulla mancanza di fusione e affaticamento negli strati stampati ⚙️

Lo studio microscopico delle superfici di frattura, correlato con le mappe di tensione di ANSYS, ha identificato regioni con porosità eccessiva. Queste zone presentavano una mancanza di fusione tra strati adiacenti, agendo come concentratori di tensione. L'affaticamento termico ciclico durante i secondi precedenti al guasto ha propagato cricche da questi difetti fino alla rottura catastrofica. Questo caso dimostra che, in applicazioni ad alte prestazioni, la simulazione dell'affaticamento dei materiali deve integrare dati reali di scansione 3D per catturare difetti di fabbricazione che i modelli ideali omettono.

Quali tecniche specifiche di simulazione multifisica hanno permesso di correlare i modelli di fessurazione osservati nell'analisi forense 3D dell'ugello Inconel con i cicli di affaticamento termico durante il guasto catastrofico del motore a razzo?

(PS: L'affaticamento dei materiali è come il tuo dopo 10 ore di simulazione.)