Soluções de moagem para aeroespacial

Apr 28, 2023

Os fabricantes de aeronaves estão se concentrando em novos estilos de motores que queimam combustível de forma mais econômica. Esses novos motores de queima pobre operam em temperaturas que excedem significativamente os níveis operacionais seguros dos atuais componentes de motores de superliga à base de níquel. Como resultado, estão surgindo novos materiais como o alumineto de titânio (TiAl), que apresentam maior estabilidade térmica ou propriedades específicas de fluência, menor densidade (3,9 a 4,1 g/cm3) e maior resistência específica do que os materiais anteriores.

Essas ligas também apresentam alto limite de escoamento específico (resistência ao escoamento/densidade), alta rigidez específica (módulo de elasticidade/densidade), boa resistência à oxidação, resistência ao fogo do titânio e boas propriedades de fadiga em altas temperaturas. Por exemplo, o TiAl tem resistência equivalente a superligas de até 760° C (1.400° F), mas a densidade do TiAl (4,0 g/cm3) é menor que a metade da densidade do 718 Inconel (8,2 g/cm3).

A substituição das pás de superliga por pás de TiAl mais leves na seção de turbina de baixa pressão dos motores aeroespaciais reduz o peso e aumenta a eficiência. A redução no peso da lâmina também permite o uso de um disco de suporte de liga de níquel menor, o que reduz ainda mais o peso. As ligas de TiAl podem proporcionar reduções de peso de até 50% em estágios de turbina de baixa pressão, melhorando as relações impulso-peso, reduzindo o consumo de combustível e diminuindo as emissões de escape.

O alto módulo específico ou rigidez é valioso para componentes e montagens com folgas apertadas, como suportes de vedação e revestimentos. O alto módulo específico também muda as vibrações acústicas para frequências mais altas, o que reduz o atrito e a fadiga em outras áreas estruturais. Ligas convencionais de titânio esfregando contra outros componentes em altas temperaturas (maiores que 400° C ou 752° F) podem inflamar em motores a jato, causando incêndios de titânio. O TiAl é quase tão resistente a incêndios de titânio quanto as superligas, portanto, as barreiras de superliga para impedir incêndios de titânio podem ser substituídas por TiAl. Após o sucesso do TiAl em pás de turbinas de baixa pressão (LP), os engenheiros aeroespaciais também estão implementando TiAl em pás de compressores de alta pressão (HP), palhetas e basculadores de pás.

No entanto, as mesmas propriedades que tornam o TiAl desejável para futuros motores de aeronaves também dificultam seu trabalho. O TiAl é um composto intermetálico com ligação mista metálica e covalente. Materiais intermetálicos como o TiAl exibem uma combinação de propriedades metálicas e cerâmicas. Eles têm a resistência à temperatura elevada desejável para aplicações de alta temperatura, mas normalmente têm baixa ductilidade à temperatura ambiente, tenacidade e características de fabricação ruins. A boa notícia: ao estudar esses materiais e redefinir os processos de fabricação existentes, uma solução econômica está ao seu alcance.

TiAl contém 45 a 50 por cento atômico de alumínio. À temperatura ambiente, as ligas de TiAl são frágeis, com ductilidade variando de 0,3% a 4%, dependendo da liga específica e da microestrutura.

Diversas variantes de TiAl estão disponíveis comercialmente, com composições e microestrutura adaptadas para diferentes métodos de processamento. O TiAl com estrutura dupla contém uma mistura de colônias gama lamelares e fases hexagonais alfa-dois (Ti₃Al). Duplex TiAl tende a ter melhor ductilidade à temperatura ambiente, mas a resistência à fluência é de apenas 70% das superligas de níquel atuais. O alumineto de titânio gama totalmente lamelar e quase lamelar (γ-TiAl) tem maior tenacidade à fratura e resistência à propagação de trincas com propriedades de fluência equivalentes às superligas até 1.000° C. O beta TiAl cúbico tem uma deformabilidade mais alta, portanto as ligas γ-TiAl de solidificação beta podem ser laminado a quente ou forjado após prensagem isostática a quente, extrusão especializada e tratamento térmico.

Formas brutas de γ-TiAl feitas por forjamento, fundição e metalurgia do pó são convertidas em formas acabadas que atendem às dimensões, acabamento e integridade superficial necessários por meio de usinagem, retificação ou métodos não tradicionais. O processamento complexo e os tratamentos térmicos necessários para obter microestruturas dúcteis à temperatura ambiente e propriedades de alta temperatura resultam em uma relação compra-para-fly mais alta ou altos custos de material para o TiAl em comparação com as superligas convencionais.