Design and optimization of components and processes for plasma sources in advanced material treatments

L’attività di ricerca svoltasi durante il Dottorato è stata orientata alla progettazione e allo sviluppo di componenti e processi tecnologici innovativi atti ad ottimizzare le prestazioni di sorgenti plasma nel trattamento avanzato di materiali. Sono stati in particolare studiati e sviluppati consumabili di torce al plasma termico per il taglio di materiali metallici (PAC, plasma arc cutting), nell’ambito della cosiddetta alta definizione. L’attività di tipo sperimentale in ambito PAC si è concentrata sulla valutazione e realizzazione di modifiche dell’inserto emettitore, rispetto alla configurazione attuale di elettrodi standard, che prevede un inserto piatto in afnio (Hf) inserito per interferenza in un corpo elettrodo in rame (Cu). Le soluzioni proposte per l’attività di ricerca sono state basate su un’approfondita analisi bibliografica e brevettuale. Il comportamento di inserti in Hf operanti ad alte correnti (250A) in torce PAC è stato sperimentalmente analizzato, ottimizzando la forma iniziale della superficie emittente per incrementarne la vita utile. Sono inoltre state studiate le modificazioni microstrutturali dell’inserto emettitore al fine di comprendere i fenomeni coinvolti nel processo di erosione. Infine, l’attività di ricerca su elettrodi PAC si è concentrata sulla produzione, caratterizzazione e test di inserti compositi prototipali, realizzati unendo polveri ad alta conduttività termica (Cu, Ag) e polvere ad alta emissività termoionica (Hf, Zr). La complessità del sistema torcia ha inoltre richiesto un approccio integrato, che affiancasse attività di simulazione modellistico-computazionale con le valutazioni sperimentali, di natura chimico-fisica e microstrutturale. È stato in questo senso implementato un modello per il calcolo del coefficiente di emissione netto (NEC) del plasma di Argon in funzione di temperatura (1000-25000 K) e pressione (50-200 kPa), per plasmi otticamente sottili o parzialmente auto-assorbiti. Sono infine stati inoltre studiati e realizzati elettrodi prototipali per sorgenti di plasma non termico, finalizzate in particolare ad applicazioni biomedicali, nella configurazione detta plasma needle.