Novas ligas de brasagem melhoram a barreira térmica na seção quente do motor a jato

Por Editor | 8 de novembro de 2013

PorTom Sandin, Morgan Advanced Materials Wesgo, gerente de produtos de brasagem de metais

Cientistas de materiais e fabricantes de componentes cerâmicos têm desenvolvido novos materiais e processos que permitem que os motores funcionem cada vez mais quentes em resposta ao foco da indústria aeroespacial em maior desempenho e custos mais baixos.

Nos motores de turbina a gás, uma grande quantidade de ar do compressor é usada para resfriar as palhetas e as pás da turbina. A quantidade de ar necessária é determinada pela temperatura da turbina e pelos materiais que precisam ser resfriados. Se os materiais da turbina precisarem de menos resfriamento ou puderem ser feitos de materiais que resistam a temperaturas mais altas, isso disponibilizará mais ar para a propulsão. Portanto, aumentar a capacidade de temperatura da turbina é fundamental para melhorar a eficiência do motor. No entanto, os motores ficam mais quentes à medida que a temperatura de processamento aumenta, e esse aumento de calor tende a degradar os metais.

Dentro das turbinas, pré-formas pré-sinterizadas (PSPs) são usadas para reparar palhetas que estão quebrando devido ao calor excessivo e desgaste. Os PSPs, com uma pequena quantidade de liga brasada misturada com o metal original, são usados ​​principalmente na seção da turbina para reparar rachaduras nas palhetas e áreas de desgaste. À medida que as temperaturas continuam subindo nessas zonas, novos materiais e tecnologias estão sendo desenvolvidos para criar uma melhor barreira térmica. Espera-se que esses desenvolvimentos reduzam significativamente os custos de manutenção, reparo e revisão geral (MRO). Os exemplos incluem o desenvolvimento de ligas de brasagem avançadas, o uso de cerâmica em componentes de metal de alta temperatura para cerâmica e a introdução de brasagem ativa, que permite que o metal seja ligado diretamente à cerâmica sem metalização.

Ligas de brasagem são usadas em uma variedade de aeronaves militares e componentes de motores aeroespaciais comerciais e graus estão sendo desenvolvidos para ligar diretamente a cerâmica ao metal ou outros materiais. As composições de liga variam e incluem aquelas projetadas para uso funcional em aplicações de alta temperatura (750-850°C).

As ligas são selecionadas para atender às condições específicas de temperatura de serviço, bem como aos requisitos de todos os componentes a serem unidos. Exemplos incluem ligas usadas em novas seções quentes de turbinas, brasagem de cerâmica de nitreto de silício para novas peças de motor de superliga. A Tabela 1 fornece uma visão geral das ligas de brasagem disponíveis, mostrando a peça do motor em que é usada e o componente/material de base.

A maioria dos aviões modernos usa motores turbofan por causa de seu alto empuxo e boa eficiência de combustível. Um turbofan obtém parte de seu impulso do núcleo e parte do ventilador. O ar que entra é capturado pela entrada do motor. Parte do ar que entra passa pelo ventilador e continua no compressor central e depois no queimador, onde é misturado ao combustível e ocorre a combustão. A exaustão quente passa pelas turbinas do núcleo e do ventilador e, em seguida, sai pelo bocal. O restante do ar que entra passa pelo ventilador e contorna o motor, semelhante ao ar que passa por uma hélice. O ar que passa pelo ventilador tem uma velocidade ligeiramente aumentada.

Este diagrama de um motor turbofan típico mostra os locais mais comuns para uso de ligas, incluindo aqueles usados ​​para a "seção fria" do motor (entrada de ar e compressor) e sua "seção quente" (turbina e câmara de combustão).

A Figura 1 é um diagrama de um motor turbofan típico, mostrando os locais mais comuns para uso de ligas, incluindo aqueles usados ​​para a "seção fria" do motor (entrada de ar e compressor) e sua "seção quente" (turbina e câmara de combustão).

O site Wesgo Metals da Morgan Advanced Materials em Hayward, Califórnia, produz mais de 15 composições de liga de brasagem para uso na seção de compressores. Nioro® é usado em Inconel X750 ou 718 para atingir a temperatura de recozimento da solução sem excesso de crescimento de grão que ocorre em ligas à base de níquel. Nioro® é uma liga de ouro/níquel de alta pureza para brasagem a vácuo. As ligas de brasagem de níquel são usadas na brasagem de compressores e turbinas. Em sua forma de folha, pode ser usado para brasagem de favo de mel e tiras de vedação de metal.