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MATERIAIS UTILIZADOS NA CONSTRUÇÃO DE MOTORES AERONÁUTICOS

 

     

 

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O rápido desenvolvimento dos motores aeronáuticos ao longo das últimas décadas deveu-se em grande parte ao desenvolvimento de materiais de grande resistência mecânica e capazes de suportar elevadas temperaturas que se desenvolvem no seu interior.

O desempenho dos motores aeronáuticos, nomeadamente os turbojactos, turbofan e turbopropulsores, depende em grande escala da temperatura que se desenvolve à entrada do primeiro andar da turbina. O aumento desta temperatura dos actuais 927 ºC (valor típico) para 1,370 ºC, resultaria num aumento de empuxo específico na ordem dos 130% acompanhado do correspondente decréscimo do consumo específico de combustível. Por este motivo o funcionamento daqueles motores segundo ciclos de elevada temperatura à entrada da turbina são desejáveis, conquanto os materiais existentes o permitam.

A contínua pesquisa e desenvolvimento em torno de novos materiais e o aperfeiçoamento de alguns já existentes deverá permitir a utilização de novas ligas caracterizadas por elevada resistência mecânica e à temperatura.

A par do desenvolvimento de novas ligas, também o desenvolvimento de novos materiais de aplicação superficial (designados revestimentos) permitirá atingir temperaturas mais elevadas, protegendo os materiais-base dos efeitos da temperatura e da corrosão.

Ver diagrama de distribuição de temperaturas no interior dum motor de turbina de gás.

 

 

AS LIGAS E AS TEMPERATURAS

 

As condições de operação no interior dum motor de turbina de gás variam consideravelmente e condicionam a utilização de diferentes materiais consoante a resistência e a tolerância destes às tensões, temperatura e agressividade do ambiente de operação.

Gama de temperaturas

Tipo de Liga

Características

Aplicação

< 260 ºC

Alumínio

  • Baixa densidade

  • Boa relação resistência/peso

  • Sob a forma de produtos forjados e fundidos

  • Rodas de compressores centrífugos (impellers)

  • Carters de compressor

  • Secções de entrada de ar

  • Acessórios

  • Invólucros de acessórios

< 538 ºC

Titânio

  • Elevada resistência mecânica

  • Baixa densidade

  • Boa combinação com outros elementos (V, Al, Cr, Sn, Zr, Mo)

  • Óptima combinação com o Al que permite uma elevada resistência

  • Rodas de compressores centrífugos (impellers)

  • Rodas de compressores axiais

  • Pás de compressores axiais (blades)

< 677 ºC

Ferro

  • Aços de baixa liga

  • Aços-liga de elevado teor em Cr ou Ni

  • Baixo custo de produção

  • Facilidade de manuseamento

  • Boas características mecânicas

  • Capacidade de através de tratamento térmico os aços de baixa liga garantirem boas propriedades até 538 ºC

  • São cada vez menos utilizados por preferência por ligas de Ti e Al

  • Grande utilização em componentes rotativos e estáticos

  • Pás de compressores axiais (blades)

  • Vanes

  • Rodas

  • Espaçadores

  • Membros estruturais

< 982 ºC

Níquel

  • As melhores ligas para suportarem elevadas temperaturas

  • A utilização de Fe é diminuta ou inexistente

  • Elevada resistência à fluência, ao escoamento e à rotura

  • Boa ductilidade

  • Rodas de turbina

  • Veios

  • Espaçadores de turbina

  • Componentes da turbina

> 982 ºC

Cobalto

  • Elevada resistência mecânica

  • Elevada resistência a altas temperaturas

  • Elevada resistência à corrosão

  • A utilização de Fe é diminuta ou inexistente

  • Vanes e pás (blades) de turbina

  • Elementos de tubeiras de pós-combustão

 

 

AS LIGAS E OS ESFORÇOS

 

Objectivo

Componentes mais severamente atingidos

Causa

Comentários

Resistência mecânica

  • Rodas de turbina

  • Pás de turbina (blades)

  • Força centrífuga devida à velocidade de rotação (varia na razão do quadrado da velocidade)

  • Força de flexão criada pelo escoamento dos gases

  • Variação da temperatura desde a zona central (inferior) até a periferia (superior) na ordem de centenas de graus

  • A força centrífuga gerada por uma roda a 20,000 rpm é 4 vezes superior à de uma que rode a 10,000 rpm

  • Uma pá de turbina (blade) pesando cerca de 6.2 g pode exercer uma força de 1.8 ton sobre a roda a que está fixada.

  • Alguns materiais que apresentam boas propriedades mecânicas à temperatura ambiente tornam-se menos resistentes a altas temperaturas (ver nota)

Resistência à corrosão (oxidação, sulfidação, etc.)

  • Todos

  • Reacções eléctricas com outros materiais

  • Reacções químicas com outros materiais

  • Velocidade do escoamento dos gases

  • Para além das propriedades dos materiais-base, são usados revestimentos com o objectivo de isolar a superfície do gases quentes e poluídos

  • Os revestimentos devem possuir resistência mecânica e coeficiente de dilatação semelhantes aos materiais-base.

Resistência à temperatura

  • Componentes da turbina, especialmente as rodas

  • Variações rápidas de temperatura

  • Atenuação destes efeitos através de melhores técnicas de doseamento de combustível, controlo de arranque e configuração do motor

Outros factores de selecção dos materiais compreendem: a temperatura crítica, a resistência à rotura, a condutividade térmica, o coeficiente de dilatação, o manuseamento, a capacidade de ser trabalhável e o custo de produção.

Nota: À temperatura ambiente o Inconel X (liga de Ni) apresenta uma tensão de rotura de 1,103 MPa e o S-816 (liga de Co) de 930 MPa. À temperatura de 816 ºC, estas características relativas invertem-se. O Inconel X apresenta uma tensão de rotura de 379.3 MPa e o S-816 de 517.3 MPa. Daqui se conclui que a resistência à temperatura (Fluência) é o critério mais importante na selecção do material para a construção de componentes da turbina.

 

 

 

AS DIFERENTES LIGAS

 

Composição química

 

LIGAS DE FERRO

Designação

C

Cr

Ni

Co

Mo

Ti

Nb

Outros

Chromoloy

0.20

1

-

-

1

-

-

0.1 V

Lapelloy

0.30

12

-

-

3

-

-

0.3 V

17-7PH

0.07

17

7

-

-

-

-

1 Al

321 SS

0.05

18

10

-

-

0.4

-

-

A286

0.05

15

26

-

1

2

-

1.0 Mn; 0.7 Si; 0.25 Al

Incoloy T

0.08

20

32

-

-

1

-

-

Timken 16-25-6

0.10

16

25

-

6

-

-

1.35 Mn; 0.7 Si; 0.15 N

N-155

0.30

20

20

20

3

-

1

2 W

15-7Mo

0.09

15

7

-

2.5

-

-

1.0 Al

19-9DL

0.32

18.5

9

-

1.4

0.25

-

1.35 W

B5 F5

0.45

0.95

-

-

0.55

-

-

0.30 V

M308

0.08

13.75

32.5

-

4.1

2.0

-

6.5 W

V57

0.06

15

25.5

-

1.25

3.0

-

0.25 Al

17-14 CuMo 0.12 16.0 14.0 - 2.50 0.3 0.4 0.75 Mn; 0.5 Si; 3.0 Cu

D-979

0.05

15.0

45.0

-

4.0

3.0

-

0.5 Mn; 0.5 Si; 4.0 W; 1.0 Al; 0.01 B

Discalloy 0.06 14.0 26.0 - 3.0 1.7 - -
Incoloy 901 0.05 13.0 40.0 - 6.0 2.5 - 0.5 Mn; 0.35 Si; 0.2 Al
M50 0.77-0.85 3.75-4.25 máx 0.15 máx 0.25 4.0-4.5 - - máx 0.1 Cu; 0.35 Mn; 0.015 P; 0.015 S; 0.25 W; 0.9-1.1 V

 

LIGAS DE NÍQUEL

Designação

C

Cr

Fe

Co

Mo

Ti

Al

Outros

Inconel

0.05

14

7

-

-

-

-

-

Inconel W

0.05

14

7

-

-

2.5

0.6

-

Inconel X

0.05

15

7

-

-

2.5

0.7

1 Nb

Inconel X550 0.04 15.0 7 - - 2.3 1.2 0.7 Mn; 0.4 Si; 1.0 Nb
Inconel 700 0.13 15.0 1.0 30.0 3.0 2.2 3.2 0.08 Mn; 0.25 Si

Inconel 702

0.02

16

-

-

-

0.5

3.7

-

Inconel 703 0.08 10.0 0.4 - 2.6 2.4 2.95 -
Inconel 709 0.10 9.0 0.4 - 3.0 2.75 3.75 -
Inconel 710 0.10 8.25 0.4 - 3.0 2.7 3.65 -
Inconel 718 0.05 19.0 7.0 - 3.0 1.0 0.7 0.006 B; 0.03 Zr

Inco (Cast)

0.2

12

5

-

4.5

0.75

6.0

2 Si + Mn

2 Nb + Ta

Hastelloy A

0.1

-

22.0

-

22.0

-

-

-

Hastelloy B

0.10

1

5

-

28

-

-

0.4 V

Hastelloy C

0.08

15.5

5.5

2.5

16.0

-

-

3.75 W

Hastelloy R-235

0.15

16

10

-

6

3

2

-

Hastelloy W

0.12

5.0

5.5

-

25.0

-

-

0.6 V

Hastelloy X

0.15

22

23

-

9

-

-

-

Nichrome

0.25

18.0

1.0

-

-

-

-

-

Rex 400

0.09

19.2

2.0

-

-

2.1

0.6

-

K 42 B

0.06

18.0

13.0

22.0

-

2.6

0.6

-

M-252

0.10

19

2

10

10

2.5

0.8

0.005 B

Udimet 500

0.15

17.5

4 máx.

16

4

3

3

1.5 Si + Mn

Udimet 700

0.1

15.0

4.0

19.0

5.0

3.5

4.5

0.03 B

Astroloy

0.055

15.0

0.20

15.0

5.0

3.5

4.4

-

Cosmoloy F

0.04

15.0

0.20

-

3.75

3.45

4.75

2.75 W

René 41

0.12

19.0

5.0

11.0

9.75

3.15

1.5

-

U 700

0.10

15.0

4.0

18.5

5.0

3.25

4.25

-

Nimonic 75

0.12

20.0

5.0

-

-

0.4

-

1.0 Mn; 1.0 Si

Nimonic 80

0.1

20.0

5.0

2.0

-

2.25

1.25

1.0 Mn; 1.0 Si

Nimonic 90

0.1

20.0

5.0

18.0

-

2.50

1.50

1.0 Mn; 1.0 Si

GMR 235 D

0.15

15.5

4.3

-

5.3

2.50

3.7

-

Multi-alloy

0.25

20.5

19.0

3.3

2.7

1.2

-

-

Refractalloy 26

0.03

18.0

19.0

20.0

3.0

3.0

0.25

-

Unitemp

0.24

16.0

9.5

7.0

1.5

3.0

2.0

0.05 Mn; 0.1 Si; 8.0 W

Waspalloy

0.10

19.5

2.00

13.5

4.25

3.0

1.25

-l

 

LIGAS DE COBALTO

Designação

C

Cr

Ni

Fe

Mo

W

Nb

Outros

HS 21

0.25

27

3

1

5

-

-

-

HS 25 (L-605); N-155

0.12

20

10

1

-

15

-

-

HS 31 (X-40)

0.40

25

10

1

-

8

-

-

HE-1049

0.40

26

10

2

-

15

-

0.4 B

S-816

0.40

20

20

3

4

4

4

-

S-590

0.4

20.0

20.0

25.0

4.0

4.0

4.0

1.2 Mn; 0.4 Si

ML-1700

0.2

25.0

-

-

-

15.0

-

0.4 B

WF-11

0.15

20.0

10.0

2.0

-

15.0

-

1.5 Mn; 0.5 Si

V-36

0.30

25

20

3

4

3

2

-

 

LIGAS DE ALUMÍNIO

Designação

Cu

Si

Mg

Mn

355

1.5

5

0.5

-

14 S

4.5

1

1

1

 

LIGAS DE MAGNÉSIO

Designação

Al

Zr

Zn

Th

Dow C

9

-

2

-

HK 31

-

-

0.7

3

HZ 32

-

0.75

2.1

3.25

 

LIGAS DE TITÂNIO

Designação

Al

Mn

Fe

Cr

Mo

V

Outros

C 130 AM

4

4

-

-

-

-

*

Ti 140A

-

-

2

2

2

-

*

C 110 M

-

8

-

-

-

-

*

6 Al-4 V

6

-

-

-

-

4

*

7Al-4Mo-Ti

7

-

-

-

4

-

*

A 110 AT

4.0 - 6.0

-

-

-

-

-

2.0 - 4.5 Sn

*

Nota: * - Para todas as ligas C = 0.2 máx.; O2 = 0.25 máx.; N = 0.1 máx.; H2 = 0.015 máx.

Elementos de liga mais utilizados nos materiais de construção de motores aeronáuticos

Alumínio - Al

Cobalto - Co

Ferro - Fe

Níquel - Ni

Tório - Th

Zircórnio - Zr

Azoto - N

Cobre - Cu

Manganês - Mn

Silício - Si

Tungsténio - W

Fósforo - P

Boro - B

Crómio - Cr

Molibdénio - Mo

Tântalo - Ta

Vanádio - V

Enxofre- S

Carbono - C

Estanho - Sn

Nióbio - Nb

Titânio - Ti

Zinco - Zn

 

 

Para mais detalhes consultar:

www.suppliersonline.com/buy/exchange/post/ChooseFamily.asp

www.c-mgroup.com/air_melt_index.html

 


Fontes de pesquisa:  


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