Já alguma vez se interrogou sobre os materiais que constituem os potentes motores que impulsionam os aviões pelos céus? Nesta publicação do blogue, vamos explorar o fascinante mundo dos materiais dos motores de aeronaves, desde as ligas de alta resistência às cerâmicas resistentes ao calor. Descubra como estes materiais são cuidadosamente seleccionados e concebidos para suportar as condições extremas de voo, garantindo a segurança e a fiabilidade da aviação moderna.
O fabrico aeroespacial é o domínio mais concentrado de alta tecnologia no fabrico, pertencendo à tecnologia de fabrico avançada.
Entre os produtos notáveis contam-se o motor F119 desenvolvido pela Hewlett-Packard nos Estados Unidos, o motor F120 da General Electric, o motor M88-2 da empresa francesa SNECMA e o motor EJ200 desenvolvido conjuntamente pelo Reino Unido, Alemanha, Itália e Espanha.
Estes representam os motores de aviação de alto desempenho mais avançados do mundo, e a sua caraterística comum é a utilização generalizada de novos materiais, novos processos e novas tecnologias. Vejamos estes novos materiais utilizados nos motores de aviação de alto desempenho.
As ligas de alta temperatura foram desenvolvidas para satisfazer os rigorosos requisitos de material dos motores a jato e tornaram-se uma classe insubstituível de materiais essenciais para os componentes a quente dos motores de turbina a gás, tanto militares como civis.
Atualmente, nos motores de aviação avançados, as ligas de alta temperatura representam mais de 50% do material utilizado.
O desenvolvimento de ligas de alta temperatura está intimamente relacionado com o progresso tecnológico dos motores de aviação, especialmente os materiais do disco da turbina e da lâmina da turbina e os processos de fabrico dos componentes da extremidade quente do motor, que são indicadores importantes do desenvolvimento do motor.
Devido às elevadas exigências impostas à resistência do material a altas temperaturas e à sua capacidade de suportar tensões, o Reino Unido desenvolveu inicialmente a liga Nimonic80 reforçada com Ni3(Al, Ti) para utilização em turbinas de motores a jato material da lâmina. Desenvolveu também sequencialmente a série de ligas Nimonic.
Os Estados Unidos desenvolveram ligas à base de níquel reforçadas por dispersão contendo alumínio e titânio, tais como as séries de ligas Inconel, Mar-M e Udmit desenvolvidas pela Pratt & Whitney, General Electric e Special Metals Corporation, respetivamente.
Durante o desenvolvimento das ligas de alta temperatura, os processos de fabrico desempenharam um papel significativo na promoção do desenvolvimento das ligas. Com o aparecimento da tecnologia de fusão a vácuo, a remoção de impurezas e gases nocivos das ligas, especialmente o controlo preciso da composição da liga, melhorou continuamente o desempenho das ligas de alta temperatura.
Em seguida, a investigação bem sucedida de novos processos, como a solidificação direcional, o crescimento de um único cristal, a metalurgia do pó, a liga mecânica, os tipos de núcleo cerâmico, a filtragem cerâmica, o forjamento isotérmico, etc., impulsionaram o rápido desenvolvimento de ligas de alta temperatura.
Entre estas, destaca-se a tecnologia de solidificação direcional; as ligas produzidas por este processo - ligas monocristalinas direccionais - podem ser utilizadas a temperaturas próximas de 90% do seu ponto de fusão inicial.
Consequentemente, as pás das turbinas dos actuais motores de aviação avançados de vários países são fabricadas utilizando ligas monocristalinas direccionais. Globalmente, os sistemas de cristal equiaxial, de cristal colunar solidificado direccionalmente e de liga de cristal único foram formados a partir de ligas fundidas de alta temperatura à base de níquel.
As ligas de alta temperatura em pó também se desenvolveram desde a primeira geração a 650°C até discos de turbina em pó a 750°C e 850°C e discos em pó de duplo desempenho, que são utilizados em motores avançados de alto desempenho.
O aço de ultra-alta resistência é utilizado como patamar material da engrenagem em aeronaves. A segunda geração de aviões utilizou o aço 30CrMnSiNi2A para o seu trem de aterragem, com uma resistência à tração de 1700 MPa. No entanto, a vida útil deste trem de aterragem era relativamente curta, cerca de 2000 horas de voo.
Para o projeto do caça de terceira geração, prevê-se que o trem de aterragem tenha uma vida útil superior a 5000 horas de voo. Devido ao aumento do equipamento de bordo e à diminuição do rácio de peso da estrutura da aeronave, são colocadas maiores exigências à seleção e à tecnologia de fabrico do trem de aterragem.
Tanto os caças americanos como os chineses de terceira geração adoptaram a tecnologia de fabrico de trens de aterragem em aço 300M (com uma resistência à tração de 1950 MPa).
É de salientar que a melhoria da tecnologia de aplicação de materiais está também a impulsionar o aumento da vida útil dos trens de aterragem e a alargar a sua adaptabilidade.
Por exemplo, o trem de aterragem do Airbus A380 adoptou a tecnologia de forjamento integral ultra-grande, a nova tecnologia de tratamento térmico atmosférico e a tecnologia de pulverização por chama a alta velocidade, garantindo que a vida útil do trem de aterragem cumpre os requisitos do projeto. Por conseguinte, o progresso de novos materiais e tecnologias de fabrico assegura a renovação e a atualização das aeronaves.
O projeto de longa duração de aeronaves em ambientes corrosivos exige padrões mais elevados para os materiais. Em comparação com o aço 300M, o aço AerMet100 proporciona um nível de resistência equivalente, mas apresenta uma resistência geral à corrosão e uma resistência à corrosão sob tensão superiores.
A tecnologia de fabrico do trem de aterragem que o acompanha tem sido utilizada em aeronaves avançadas como o F/A-18E/F, o F-22 e o F-35. O aço Aermet310 de maior resistência, que tem uma menor tenacidade à fratura, está atualmente a ser investigado.
O aço AF1410 de ultra-alta resistência, conhecido pela sua taxa de propagação de fissuras extremamente lenta, é utilizado na junta do atuador da asa do avião B-1, obtendo uma redução de 10,6% no peso e uma melhoria de 60% na maquinabilidade em comparação com o Ti-6Al-4V, e uma redução de custos de 30,3%. O aço inoxidável de alta resistência utilizado no MiG-1.42 russo representa 30% do total.
O PH13-8Mo é o único aço inoxidável martensítico de alta resistência e endurecimento por precipitação amplamente utilizado para componentes resistentes à corrosão.
A nível internacional, o desenvolvimento de aço para engrenagens (rolamentos) de ultra-alta resistência, como o CSS-42L e o GearmetC69, foi testado em motores, helicópteros e no sector aeroespacial.
O desenvolvimento de motores aeronáuticos de elevado desempenho e elevada relação peso/empuxo promoveu o desenvolvimento e a aplicação de compostos intermetálicos. Atualmente, os compostos intermetálicos evoluíram para uma família diversificada, normalmente composta por compostos metálicos binários, ternários ou multielementos.
Os compostos intermetálicos têm um potencial significativo para aplicações estruturais a alta temperatura, oferecendo temperaturas de utilização elevadas, elevada resistência específica e condutividade térmica. Especialmente em condições de alta temperatura, possuem excelente resistência à oxidação, alta resistência à corrosão e alta resistência à fluência.
Uma vez que os compostos intermetálicos representam um material novo que preenche a lacuna entre as ligas de alta temperatura e os materiais cerâmicos, tornaram-se um dos materiais ideais para componentes de alta temperatura em motores aeronáuticos.
Atualmente, na estrutura dos motores aeronáuticos, a investigação e o desenvolvimento centram-se principalmente nos compostos intermetálicos, com especial destaque para o alumínio titânio e o alumínio níquel. Estes compostos de titânio-alumínio partilham uma densidade semelhante à do titânio, mas têm uma temperatura de utilização significativamente mais elevada.
Por exemplo, suas temperaturas de uso são 816 ℃ e 982 ℃, respetivamente. As fortes ligações interatômicas e as estruturas cristalinas complexas dos compostos intermetálicos resultam em difícil deformação, exibindo características duras e quebradiças à temperatura ambiente.
Após anos de investigação experimental, uma nova liga com resistência a altas temperaturas e plasticidade e tenacidade à temperatura ambiente foi desenvolvida com sucesso e instalada com excelentes resultados. O motor F119 de alto desempenho dos Estados Unidos, por exemplo, utiliza compostos intermetálicos na carcaça do motor e no disco da turbina. As pás e o disco do compressor do motor de teste F120 são feitos de um novo composto intermetálico de titânio e alumínio.
Quando se pensa em cerâmica, vem-nos naturalmente à mente a fragilidade. Há algumas décadas, a sua utilização para componentes de suporte de carga em engenharia era inconcebível. Mesmo agora, quando falamos de compósitos cerâmicos, algumas pessoas podem não entender, assumindo que a cerâmica e os metais são materiais fundamentalmente não relacionados. No entanto, a união engenhosa de cerâmicas e metais alterou fundamentalmente a nossa perceção deste material, dando origem aos compósitos de matriz cerâmica.
Os compósitos de matriz cerâmica são um novo material estrutural promissor na indústria aeroespacial, particularmente no fabrico de motores aeronáuticos, onde os seus atributos únicos são cada vez mais evidentes. Para além de serem leves e duros, os compósitos de matriz cerâmica possuem também uma excecional resistência a altas temperaturas e à corrosão a temperaturas elevadas.
Atualmente, os compósitos de matriz cerâmica ultrapassaram a resistência ao calor materiais metálicos em suportar temperaturas elevadas, demonstrando excelentes propriedades mecânicas e estabilidade química, o que os torna um material ideal para as zonas de alta temperatura dos motores de turbina de elevado desempenho.
Atualmente, países de todo o mundo estão a centrar a sua investigação em cerâmicas reforçadas com nitreto de silício e carboneto de silício para satisfazer os requisitos de material da próxima geração de motores avançados, tendo feito progressos significativos. Alguns já começaram a incorporar estes materiais em motores aeronáuticos modernos.
Por exemplo, o motor de ensaio F120 dos Estados Unidos utiliza materiais cerâmicos nos dispositivos de vedação da turbina de alta pressão e em alguns componentes de alta temperatura da câmara de combustão. O motor francês M88-2 também utiliza materiais compósitos de matriz cerâmica na sua câmara de combustão e no bocal.
Os materiais compósitos de carbono/carbono (C/C), que emergiram como os materiais resistentes a altas temperaturas mais notáveis nos últimos anos, são atualmente os únicos materiais considerados adequados para utilização em pás de rotor de turbina, com uma relação impulso/peso superior a 20 e temperaturas de entrada no motor que atingem 1930-2227°C.
Estes materiais são uma área-chave para os Estados Unidos no século XXI e um objetivo primordial prosseguido por nações industriais avançadas em todo o mundo. Os materiais compósitos C/C, ou compósitos de matriz de carbono reforçados com fibras de carbono, combinam de forma única a natureza refractária do carbono com a elevada resistência e rigidez das fibras de carbono, conduzindo a uma falha não frágil.
Com o seu peso leve, elevada resistência, estabilidade térmica superior e excelente condutividade térmica, são atualmente os materiais resistentes a altas temperaturas mais ideais. Nomeadamente, sob condições de alta temperatura que variam entre 1000-1300°C, a sua resistência não diminui, antes aumenta. Mesmo a temperaturas inferiores a 1650°C, mantêm a sua resistência e forma à temperatura ambiente. Consequentemente, os materiais compósitos C/C têm um potencial significativo de desenvolvimento na indústria de fabrico aeroespacial.
O principal problema da aplicação de materiais compósitos C/C em motores de aviação é a sua fraca resistência à oxidação. No entanto, nos últimos anos, os Estados Unidos resolveram gradualmente este problema através de uma série de medidas de processo e aplicaram-nas progressivamente a novos motores.
Por exemplo, os tubos de escape da pós-combustão do motor F119, as tubeiras e as condutas da câmara de combustão do motor F100 e algumas partes da câmara de combustão do motor de validação F120 são atualmente fabricados com compósitos C/C. Do mesmo modo, os motores M88-2 e Mirage 2000 de França, incluindo as varetas de combustível do pós-combustor, os escudos térmicos e as condutas, também utilizam compósitos C/C.
A investigação sobre a aplicação de materiais compósitos à base de resina nos motores turbofan da aviação teve início na década de 1950. Após mais de 60 anos de desenvolvimento, empresas como a GE, a PW, a RR, a MTU e a SNECMA investiram esforços significativos na investigação e no desenvolvimento destes materiais, registando progressos substanciais. Estas empresas conceberam com êxito estes compósitos para motores turbofan de aviação em serviço ativo, e existe uma tendência para aumentar ainda mais a sua utilização.
A temperatura de serviço dos materiais compósitos à base de resina não excede geralmente os 350°C. Assim, estes materiais são principalmente utilizados na parte fria dos motores de aviação. As principais áreas de aplicação de materiais compósitos à base de resina em motores de aviação estrangeiros avançados são ilustradas abaixo.
Pá da ventoinha: A pá da ventoinha do motor é um componente crítico representativo do motor turbofan, intimamente relacionado com o seu desempenho. Em comparação com liga de titânio As pás de ventilador compostas à base de resina têm uma vantagem muito clara na redução do peso. Para além da nítida redução de peso, o impacto na caixa do ventilador é menor depois de a pá do ventilador em compósito à base de resina ser atingida, o que é benéfico para melhorar a capacidade de contenção da caixa do ventilador.
Atualmente, os principais representantes das pás de ventilador compostas aplicadas comercialmente no estrangeiro incluem os motores da série GE90 para o B777, os motores GEnx para o B787 e os motores LEAP-X para o C919 da Chinese Commercial Aircraft Corporation.
Em 1995, o motor GE90-94B equipado com pás de ventilador em compósito à base de resina entrou oficialmente em funcionamento comercial, significando a aplicação formal de engenharia de compósitos à base de resina em motores de aviação modernos de alto desempenho. Tendo em conta factores como a aerodinâmica e a fadiga de alto e baixo ciclo, a GE desenvolveu novas pás de ventilador em compósito para o subsequente motor GE90-115B.
No início do século XXI, a forte procura de compósitos com elevada tolerância a danos nos motores de aviação impulsionou o desenvolvimento da tecnologia de compósitos. No entanto, tornou-se cada vez mais difícil satisfazer os requisitos de tolerância a danos elevados, melhorando continuamente a resistência do pré-impregnado de fibra de carbono/resina epóxi. Neste contexto, surgiram as pás de ventilador compostas com estrutura tecida em 3D.
Caixa do ventilador: A caixa do ventilador é a maior parte estacionária de um motor de aviação. A redução do seu peso afectará diretamente a relação peso/impulso e a eficiência do motor. Por conseguinte, os fabricantes estrangeiros de motores de aviação avançados sempre se empenharam na redução do peso e na otimização estrutural da caixa da ventoinha. A tendência de desenvolvimento de caixas de ventoinhas em motores de aviação avançados estrangeiros é apresentada na figura.
Carenagem da ventoinha: Como não é um componente primário de suporte de carga, a carenagem do ventilador foi uma das primeiras peças de um motor de avião a ser feita de materiais compostos. A utilização destes materiais na carenagem do ventilador permite um peso mais leve, uma estrutura anti-gelo simplificada, uma resistência superior à corrosão e uma melhor resistência à fadiga.
Atualmente, os materiais compósitos à base de resina são utilizados para a construção de capotas de ventilador nos motores RB211 da Rolls-Royce, bem como nos motores PW1000G e PW4000 da Pratt & Whitney.
Em comparação com o corpo principal dos motores de aeronaves, os compósitos à base de resina têm uma aplicação mais alargada em capotas de motor curtas, como mostra a figura. De acordo com os recursos, os fabricantes estrangeiros utilizaram extensivamente compósitos à base de resina em entradas de ar, carenagens, inversores de impulso e revestimentos de redução do ruído de carenagens curtas.
Os compósitos à base de resina também são aplicados em vários graus noutras partes do motor da aeronave, como as palhetas de guia do fluxo do ventilador, as vedações dos rolamentos e as placas de cobertura, de acordo com os recursos.
Os compósitos de matriz metálica, em comparação com os compósitos à base de resina, possuem uma excelente resistência, não são absorventes de humidade e podem suportar temperaturas relativamente elevadas. As fibras de reforço dos compósitos de matriz metálica incluem fibras metálicas como o aço inoxidável, o tungsténio e os compostos intermetálicos de níquel e alumínio; fibras cerâmicas como a alumina, a sílica, o carbono, o boro e o carboneto de silício.
Os materiais de matriz dos compósitos de matriz metálica incluem o alumínio, ligas de alumínioO alumínio, o magnésio, o titânio e as ligas de titânio, bem como as ligas resistentes ao calor. Os compósitos baseados em ligas de alumínio-magnésio, titânio e ligas de ferro são atualmente as principais escolhas. Por exemplo, os compósitos de liga de titânio reforçados com fibras de carboneto de silício podem ser utilizados para fabricar lâminas de compressores.
Fibra de carbono ou magnésio reforçado com fibra de alumina ou liga de magnésio podem ser utilizados para produzir pás de ventiladores de turbinas. Os compósitos de liga de níquel-crómio-alumínio-irídio reforçados com fibras podem ser utilizados para fabricar vedantes para turbinas e compressores.
Outras peças, como carcaças de ventiladores, rotores e discos de compressores, têm sido produzidas com compósitos de matriz metálica no estrangeiro. No entanto, um dos maiores problemas com estes compósitos é que as fibras de reforço e os metais de base tendem a reagir e a formar fases frágeis, deteriorando o propriedades dos materiais.
Esta situação é especialmente acentuada durante a utilização a longo prazo a temperaturas mais elevadas. As soluções actuais incluem a aplicação de um revestimento adequado na superfície da fibra com base em diferentes fibras e matrizes, bem como a liga da matriz metálica, para abrandar a reação da interface e manter a fiabilidade dos materiais compósitos.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
PT 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT_BR 
RU 
KO