Já se interrogou sobre o que torna as naves espaciais modernas tão eficientes e duradouras? As ligas de magnésio, com as suas propriedades notáveis, estão a revolucionar a engenharia aeroespacial. Este artigo explora a forma como estes materiais leves mas fortes melhoram o desempenho das naves espaciais, reduzem o consumo de combustível e suportam as condições adversas do espaço. Os leitores irão descobrir os principais benefícios e aplicações das ligas de magnésio na indústria aeroespacial, obtendo informações sobre a razão pela qual são indispensáveis nesta indústria de alto risco.
Desde o início do século XX, o mundo foi varrido pela maré da exploração espacial e grandes potências entraram neste domínio.
O domínio da exploração espacial humana tem registado grandes oportunidades de desenvolvimento, desde o fabrico de satélites até aos voos espaciais tripulados. No entanto, apesar das nossas muitas realizações, enfrentamos ainda muitas dificuldades e desafios e a investigação de várias tecnologias está ainda na sua fase inicial.
Uma das dificuldades significativas no domínio aeroespacial é a seleção de materiais aeroespaciaiso que tem um grande impacto no seu desenvolvimento.
Este artigo tem como objetivo fornecer informações sobre materiais de ligas metálicas adequados para o sector aeroespacial e centra-se na liga de magnésio.
Após uma extensa exploração, a liga de magnésio foi escolhida como um componente-chave da materiais aeroespaciais. Este artigo aborda os requisitos rigorosos do ambiente de vida das naves espaciais no espaço, as propriedades excepcionais das ligas de magnésio e a razão pela qual as ligas de magnésio são adequadas para o fabrico de naves espaciais no domínio aeroespacial.
Vamos lá a isso.
O magnésio é um dos metais mais leves utilizados na indústria e, como resultado, os materiais de liga de magnésio desenvolvidos tornaram-se a densidade mais leve das ligas metálicas industriais.
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A Alemanha iniciou a produção industrial de ligas de magnésio na década de 1980 e utilizou-as pela primeira vez na produção de automóveis na década de 1930. A União Soviética seguiu o exemplo e aplicou as ligas de magnésio na indústria de produção de aviões em meados da década de 1930.
Devido ao rápido aumento da procura, todas as potências mundiais atribuíram uma importância significativa ao desenvolvimento, investigação e utilização de ligas de magnésio através de vários projectos de investigação.
As ligas de magnésio têm várias vantagens, incluindo baixa densidade, elevada resistência específica, boa condutividade térmica e peso reduzido. No entanto, os métodos de processamento tradicionais podem resultar numa fraca plasticidade, pelo que diferentes métodos de fundição foram desenvolvidos para se adaptarem a diferentes aplicações.
Atualmente, as ligas de magnésio desempenham um papel crucial em vários campos de investigação. Na indústria automóvel, são amplamente utilizadas em componentes como o sistema de controlo direcional, a caixa de velocidades, o painel de instrumentos, o capô do motor, o quadro, a porta e outros em muitos países desenvolvidos.
No domínio das comunicações electrónicas, as excelentes características das ligas de magnésio tornam-nas ideais para a utilização em produtos leves e finos, trazendo esperança para o desenvolvimento de produtos ultra-leves e ultra-finos. Muitos componentes electrónicos de uso corrente, como câmaras, televisores, computadores portáteis, ecrãs de plasma e telemóveis, são feitos de ligas de magnésio.
No domínio da medicina, a boa resistência à corrosão e a estabilidade química e física das ligas de magnésio tornam-nas ideais para utilização como implantes médicos clínicos.
As ligas de magnésio também desempenham um papel importante em muitos outros domínios e o seu valor é incomensurável.
Os materiais das naves espaciais devem ter excelentes propriedades anti-envelhecimento e anti-corrosão, ser capazes de suportar e adaptar-se ao ambiente espacial extremo e permitir que a nave espacial sobreviva de forma estável no espaço. Os requisitos básicos para estes materiais são a elevada densidade, resistência e rigidez.
A utilização de materiais de liga de magnésio pode reduzir o consumo de combustível, melhorar a distância de voo e prolongar o tempo de voo. Para além disso, as aeronaves requerem resistência e rigidez e devem ser capazes de suportar cargas estáticas e alternadas causadas por vários factores, como a descolagem e a aterragem, o voo de manobra e as rajadas de vento. Por conseguinte, a resistência à fadiga é de grande importância para os materiais das aeronaves.
Devido ao seu peso leve, resistência específica, baixa densidade, boa condutividade térmica e outras características excelentes, os materiais de liga de magnésio cumprem os requisitos dos materiais aeroespaciais.
O Japão, os Estados Unidos, a Grã-Bretanha e outras potências mundiais estão a aumentar o seu investimento na investigação de materiais de liga de magnésio. Atualmente, todos os países do mundo estão a aumentar a sua produção de ligas de magnésio.
A China ocupa o primeiro lugar no mundo em termos de recursos de magnésio, origem e exportações, e tem as maiores reservas de magnésio metálico. No entanto, existem ainda muitos desafios na produção industrial e no fabrico de ligas de magnésio na China.
A tecnologia de produção de ligas de magnésio na China está relativamente ultrapassada, o que conduz a uma baixa produtividade, a um elevado consumo de energia e a um valor económico reduzido. A percentagem de exportação de ligas de magnésio na China é igualmente baixa, sendo quase todas as exportações produzidas de acordo com marcas estrangeiras.
As principais tecnologias e equipamentos utilizados no fabrico e transformação de ligas de magnésio raramente são desenvolvidos por si próprios, adoptando, em vez disso, tecnologias e equipamentos avançados estrangeiros.
Os materiais utilizados no sector aeroespacial têm frequentemente de cumprir requisitos de temperatura ultra-alta, alta temperatura e alto vácuo. Em condições extremas, como alta pressão, forte corrosão e peso, os materiais precisam de ter um volume e massa mínimos, cumprindo simultaneamente os seus requisitos funcionais.
Alguns materiais têm de funcionar na atmosfera ou no espaço durante um longo período sem manutenção, pelo que devem ter uma elevada fiabilidade e garantia de qualidade.
Os requisitos de desempenho dos materiais aeroespaciais variam consoante o seu ambiente de trabalho.
As naves espaciais sofrem aquecimento aerodinâmico em ambientes de alta temperatura, motores a gás e radiação solar, o que leva a um longo tempo de exposição no ar, por vezes a velocidades até três vezes superiores à velocidade do som.
Os materiais utilizados nestes ambientes devem ter resistência a altas temperaturas, resistência à fluência, resistência térmica resistência à fadigaA resistência ao ar e à oxidação, bem como a resistência à corrosão térmica em meios corrosivos, com estruturas estáveis que podem funcionar a altas temperaturas durante um período prolongado.
Os motores de foguetão podem atingir temperaturas superiores a 3000°C e velocidades superiores a 10 números Mach. Quando o motor do foguetão se mistura com o gás combustível sólido do foguetão e com as partículas sólidas, a cabeça do míssil balístico reentra na atmosfera a velocidades superiores a 20 números Mach, resultando por vezes na erosão das partículas.
Por conseguinte, os ambientes de alta temperatura no domínio da tecnologia espacial envolvem geralmente temperaturas elevadas e fluxos de ar de alta velocidade, bem como a erosão de partículas. Nos casos em que os materiais têm de ser utilizados para gerar calor, são utilizados materiais de alta temperatura e alta viscosidade em combinação com propriedades físicas como o calor e a sublimação.
As altas temperaturas e a radiação solar provocam flutuações de temperatura nas superfícies dos satélites e das naves espaciais, exigindo o controlo da temperatura e revestimentos de isolamento para manter baixas temperaturas para os propulsores naturais e de baixa temperatura.
Quando se voa na estratosfera a velocidades subsónicas, a temperatura da superfície do avião desce para cerca de 50°C. No círculo polar, as temperaturas no inverno podem ser inferiores a 40°C. Para evitar a fragilização, os componentes necessitam de pneus de metal ou de borracha. Os foguetões líquidos utilizam oxigénio líquido (ponto de ebulição -183°C) e hidrogénio líquido (ponto de ebulição -253°C) como propulsores, o que cria condições ambientais ainda mais severas para os materiais.
A maioria materiais metálicos Os materiais de alumínio e de polímeros tornam-se frágeis nestas condições, mas desenvolvendo ou seleccionando materiais apropriados, tais como alumínio puro e ligas de alumínio, ligas de titânio, aço de baixa temperatura, politetrafluoroetileno, poliimida e perfluoropoliéter, os efeitos de vários meios e ambientes atmosféricos na corrosão e envelhecimento dos materiais, na capacidade de suportar cargas de temperatura e nos problemas de vedação das estruturas podem ser atenuados. Isto inclui combustíveis (como a gasolina e o querosene) que entram em contacto com materiais aeroespaciais e propulsores de foguetões, bem como vários óleos lubrificantes e hidráulicos.
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A maioria dos materiais está sujeita a uma forte corrosão, tanto de substâncias metálicas como não metálicas.
Sob a influência da radiação solar na atmosfera, expandem-se e são corroídos pelo vento e pela chuva.
O crescimento de bolor pode acelerar muito o processo de envelhecimento dos materiais poliméricos quando armazenados em ambientes húmidos subterrâneos durante um longo período de tempo.
Para serem adequados para utilização na indústria aeroespacial, os materiais devem apresentar uma boa resistência à corrosão, ao envelhecimento e ao bolor.
As características únicas do ambiente espacial incluem o alto vácuo (1,33 x 10 MPa) e a irradiação de raios cósmicos.
Em alto vácuo, materiais metálicos entram em contacto estreito umas com as outras, à medida que a superfície é purificada, fazendo com que o processo de difusão molecular se acelere, resultando na ocorrência de "soldadura a frio".
O alto vácuo e a irradiação de raios cósmicos podem causar a nãomateriais metálicos para volatilizar rapidamente e envelhecer.
Em alguns casos, isto pode levar à contaminação dos voláteis das lentes ópticas e à falha das vedações devido ao envelhecimento.
Os materiais para utilização no espaço são normalmente seleccionados e desenvolvidos através de simulações e testes realizados em terra.
O objetivo da conceção de uma aeronave é escolher materiais que sejam tão leves quanto possível, proporcionando ao mesmo tempo fiabilidade absoluta, segurança e uma margem de vida. Isto é necessário para a adaptação ao ambiente espacial.
Quando as aeronaves, como os mísseis ou os foguetões, são utilizadas apenas durante um curto período de tempo, o desempenho dos materiais é limitado.
Para utilizar plenamente a resistência do material e garantir a segurança, é utilizado o "princípio de conceção da tolerância ao dano" para os materiais metálicos. Isto requer que os materiais tenham não só uma elevada resistência específica, mas também uma elevada resistência à fratura.
Dados como a vida de iniciação da fenda e a taxa de crescimento da fenda são determinados para materiais utilizados em condições simuladas, e o comprimento permitido da fenda e a vida correspondente são calculados.
Os materiais orgânicos não metálicos devem ser submetidos a testes de envelhecimento natural e de envelhecimento acelerado artificial para determinar a sua vida útil e o seu período de segurança. Esta é uma base importante para a conceção e produção.
O desafio de reduzir a carga de combustível é, desde há muito, uma questão premente na indústria aeroespacial.
Entre as ligas metálicas de engenharia disponíveis, a liga de magnésio destaca-se pela sua baixa densidade de aproximadamente 1,8g/cm3, que é cerca de dois terços da do alumínio e um quarto da do aço.
Esta baixa densidade torna viável a utilização da liga de magnésio na indústria aeroespacial.
Com a gravidade específica mais leve entre todas as ligas estruturais, a liga de magnésio permite a redução do peso em peças de alumínio ou ferro sem sacrificar a resistência.
Por conseguinte, as ligas de magnésio, sendo leves, são amplamente utilizadas em aplicações aeroespaciais.
Isto não só reduz muito o peso da fuselagem do avião, como também reduz significativamente a carga de combustível, o que tem um impacto significativo no voo do avião.
As ligas de magnésio têm uma resistência específica e uma densidade elevadas.
Em comparação com as ligas de alumínio e o aço, as ligas de magnésio possuem propriedades superiores em termos de resistência específica e densidade.
Por conseguinte, os materiais de liga de magnésio podem ser utilizados na montagem de aeronaves para produzir componentes que têm de suportar cargas pesadas, tais como cabinas de naves espaciais e peças de motores.
Em comparação com outras ligas, as ligas de magnésio têm uma clara vantagem em termos de dissipação de calor.
Isto deve-se ao facto de a diferença de temperatura do ar entre a base e o topo de um dissipador de calor feito de liga de magnésio ser significativamente maior do que a dos dissipadores de calor feitos de outras ligas, levando a uma difusão mais rápida do ar no radiador de convecção e melhorando consideravelmente a eficiência de dissipação de calor do radiador.
A uma temperatura constante, um radiador feito de liga de magnésio demora metade do tempo a dissipar o calor do que um feito de liga de alumínio.
Na gama elástica, quando sujeitas a impacto, as ligas de magnésio sofrem uma deformação elástica relativamente pequena e absorvem uma grande quantidade de energia, o que leva a uma vibração reduzida durante o impacto.
Como resultado, as ligas de magnésio têm uma boa capacidade de absorção de choques.
Isto também leva a uma redução do ruído gerado pelas colisões, fazendo com que as ligas de magnésio tenham um excelente desempenho na redução do ruído. Isto pode efetivamente atenuar vários efeitos adversos do ruído nas aeronaves.
As capacidades excepcionais de absorção de choques e de redução do ruído das ligas de magnésio são fundamentais para garantir a segurança das aeronaves.
No início dos anos 1900, fundição injectada foi aplicada para formar materiais de liga de magnésio.
No entanto, os métodos tradicionais de fundição sob pressão tinham limitações na remoção de defeitos superficiais e na melhoria da qualidade interna das peças fundidas. Como resultado, foram feitos esforços para melhorar o processo e avançar a tecnologia de fundição sob pressão de ligas de magnésio.
As ligas de magnésio têm propriedades de remoldagem favoráveis, tornando-as ideais para o fabrico de peças estruturais com formas complexas e pequena capacidade de carga, como os acessórios do motor e os travões.
O impacto de vários meios e condições atmosféricas nos materiais manifesta-se principalmente através da corrosão e do envelhecimento.
Os materiais aeroespaciais estão expostos ao contacto com combustíveis para aeronaves (como a gasolina e o querosene), propulsores de foguetões (como o ácido nítrico concentrado, o tetróxido de azoto e a hidrazina), vários lubrificantes e óleo hidráulico, entre outros.
A maioria destas substâncias tem fortes efeitos corrosivos ou expansivos em materiais metálicos e não metálicos.
O processo de envelhecimento dos materiais poliméricos pode ser acelerado pela exposição prolongada ao bolor na atmosfera, à erosão causada pelo vento e pela chuva e ao bolor em ambientes húmidos subterrâneos.
Por conseguinte, a resistência à corrosão, ao envelhecimento e ao molde são propriedades essenciais dos materiais aeroespaciais.
O magnésio, sendo o metal mais reativo, torna as ligas de magnésio susceptíveis à corrosão devido a reacções na sua superfície, causando danos significativos.
Consequentemente, a proteção das superfícies das ligas de magnésio é de grande importância.
No passado, as ligas de magnésio eram protegidas principalmente através da oxidação química, mas com o rápido desenvolvimento da tecnologia de oxidação anódica nos anos 80, este método substituiu a oxidação química tradicional.
Na investigação sobre a tecnologia de fundição em atmosfera de CO2+SF6 e o mecanismo de proteção do SF6 matriz de liga de magnésio com gás, verifica-se que será gerada uma camada de prioridade e a forma de película de Mg na superfície da liga de magnésio.
Os iões F podem ser utilizados como partículas médias de MgO e o Mg líquido interno para gerar mais MgF2.
O material protegerá a existência entre a película e a matriz, tornando a película protetora mais compacta.
Devido a problemas ambientais, os investigadores estão a procurar outros gases menos poluentes e que também contenham F para substituir o SF6.
As ligas de magnésio são altamente susceptíveis à corrosão por muitas substâncias alcalinas, enquanto os veículos espaciais têm uma forte estabilidade em ambientes alcalinos.
As ligas de magnésio apresentam uma forte estabilidade em alguns compostos orgânicos, como a gasolina e o querosene.
Por conseguinte, as ligas de magnésio podem ser utilizadas no fabrico de depósitos de combustível para gasolina e querosene, bem como de componentes que entram em contacto com a gasolina, tais como engrenagens de motores e travões.
Os produtos em liga de magnésio são amplamente utilizados em aviões civis e militares, em particular em bombardeiros. Por exemplo, o corpo do bombardeiro B-25 é construído em liga de magnésio, com 90 kg de peças extrudidas e mais de 200 kg de peças fundidas.
As ligas de magnésio são também utilizadas em mísseis e em alguns componentes de satélites, como a cabina de instrumentos, a cabina da cauda e o suporte do motor do míssil terra-ar Red Flag da China.
Outros materiais metálicos são susceptíveis de derreter em certas zonas de alta temperatura no espaço.
A resistência a altas temperaturas das ligas de magnésio garante que podem suportar temperaturas elevadas.
Ao mesmo tempo, as ligas de alumínio têm a capacidade de se adaptar a ambientes de baixa temperatura e apresentam fortes propriedades de isolamento térmico, protegendo o funcionamento normal dos componentes internos da aeronave.
As ligas de magnésio têm também boas propriedades mecânicas a altas temperaturas e apresentam excelentes propriedades mecânicas no espaço, constituindo uma base sólida para os voos espaciais.
Na indústria aeroespacial, os requisitos de material para a produção de aviões são extremamente rigorosos e todas as peças do avião têm de cumprir normas rigorosas.
Satisfazer estes requisitos com materiais industriais pode ser um desafio. No entanto, as propriedades excepcionais das ligas de magnésio alinham-se bem com as necessidades da indústria aeroespacial para materiais de fabrico de naves espaciais.
As ligas de magnésio são adequadas para uma vasta gama de aplicações, desde peças de carroçaria a peças de motor.
A elevada densidade do magnésio reduz significativamente a carga de combustível das naves espaciais, permitindo tempos de voo mais longos.
A elevada resistência específica e a rigidez específica asseguram a estabilidade da nave espacial e proporcionam excelentes capacidades de defesa no espaço.
As suas boas propriedades de modificação apoiam o fabrico de componentes de naves espaciais.
O seu elevado efeito de amortecimento proporciona uma garantia fiável para as naves espaciais.
Com a sua resistência à corrosão, resistência a altas temperaturas e forte compatibilidade com ligas de alumínio, as ligas de magnésio têm um forte potencial no espaço.
As propriedades excepcionais das ligas de magnésio fazem delas um ator importante na indústria aeroespacial.
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.
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