Como as superligações impulsionam a inovação nos sectores aeroespacial e energético

As composições de ligas que equipam motores modernos são mais antigas do que a maioria das pessoas imagina. As superligas de níquel em uma seção de turbina foram desenvolvidas ao longo de décadas, e os nomes que aparecem em desenhos hoje foram em grande parte definidos antes dos métodos de fabricação que agora dominam a indústria. O que mudou é como essas ligas são transformadas em peças, e essa mudança é de onde vem a maior parte da melhoria recente.

Três rotas de conformação respondem por essa mudança. A solidificação direcional e a fundição de cristal único permitem que uma pá seja feita sem os contornos de grão que limitam a fluência. A metalurgia do pó permite que um disco seja feito com uma estrutura fina e uniforme que uma fundição não consegue alcançar. A manufatura aditiva permite que uma forma seja construída camada por camada, o que muda tanto a geometria que é possível quanto a quantidade de metal que é desperdiçada.

Cada rota resolve um problema e cada uma introduz um defeito que não existia antes. Essa é a descrição honesta da inovação nesta indústria, e é a razão pela qual uma especificação de compra para uma peça de superliga agora precisa descrever um processo, bem como uma composição.

A tabela posiciona as rotas pelo que elas permitem e pelo que custam. A liga em cada coluna pode ser semelhante, e a peça resultante não é.

A rota de cristal único é o exemplo mais claro de um processo que mudou o material sem mudar seu nome. Uma pá fundida como um cristal único não tem contornos de grão através da seção que suporta a carga centrífuga, então o mecanismo de fluência que limita uma fundição equiaxial é removido e não reduzido. As ligas de cristal único de segunda geração, como a CMSX-4, entraram em serviço em pás de turbina a gás na década de 1990, e as ligas de terceira geração, como a Rene N5, seguiram para as posições mais quentes, com a escolha entre elas impulsionada pela capacidade de temperatura e compatibilidade de revestimento, e não pela disponibilidade.

Um comprador que qualificou uma superliga por composição qualificou o metal e não a peça. Cada rota de conformação tem um defeito característico que a composição não descreve, e cada defeito necessita de sua própria inspeção.

A linha de metalurgia do pó é a que surpreende os compradores novos em discos. Três defeitos são mencionados repetidamente na literatura técnica para discos de pó de níquel: precipitação de contorno de partícula anterior, porosidade induzida termicamente e inclusões não metálicas. O primeiro é uma rede de precipitados que segue as superfícies das partículas de pó originais, e se forma quando a superfície do pó carrega oxigênio ou carbono que reage durante a consolidação. O segundo é uma porosidade que aparece quando o gás aprisionado no pó se expande durante uma excursão de alta temperatura. O terceiro é uma inclusão sólida que chegou com o pó e que nenhum tratamento térmico removerá.

Nenhum desses três defeitos pode ser detectado por um certificado de composição. Eles são encontrados por inspeção ultrassônica, por seção e por controle do lote de pó, razão pela qual uma especificação de disco nomeia a fonte do pó e a rota de consolidação, e não apenas a liga.

Uma peça de superliga é cara em parte porque a maior parte do metal comprado não vai para a aeronave. A medida é a relação compra/voo, o peso do material comprado dividido pelo peso do componente acabado, e ela difere em uma ordem de magnitude entre as rotas.

A relação explica por que a manufatura aditiva entrou na indústria aeroespacial para peças geometricamente complexas e não para peças simplesmente grandes. Um bico de combustível com canais internos não pode ser usinado de uma forja sem juntar várias peças, e um revestimento com uma densa matriz de recursos de resfriamento é difícil de produzir de outra forma. Onde a geometria é simples, uma forja permanece mais barata, e o argumento da relação desaparece.

A relação também explica uma limitação. Uma peça que é construída adicionando material tem um histórico térmico diferente de uma forja, e as propriedades na direção de construção diferem das propriedades em sua transversal. A economia de material é real e a anisotropia é real, e o desenho tem que indicar a direção em que as propriedades importam.

A mudança de uma compra de material para uma compra de processo é a consequência prática de tudo o que foi dito acima. Um comprador que costumava especificar uma liga e uma forma agora especifica uma liga, uma rota de conformação, um nível de aceitação de defeitos e um registro de qualificação.

É por isso que duas cotações para a mesma liga podem diferir por um fator que o preço do metal não explica. Um fornecedor está cotando uma rota que qualificou, e o outro está cotando uma rota que pretende qualificar na ordem de compra.

Turbinas a gás terrestres usam as mesmas três rotas de conformação e aplicam lógica de aceitação diferente. Uma pá para uma máquina de grande porte é uma fundição de cristal único ou solidificação direcional, e a vida útil de fluência na temperatura de ignição é a propriedade decisiva. Um disco é uma peça de metalurgia do pó, e a inspeção visa os três defeitos do pó e não os defeitos de fundição. Um combustor ou uma peça de transição é cada vez mais uma peça aditiva, e a aceitação é construída em torno da fadiga térmica de uma parede fina e não em torno de um teste de tração.

O fio condutor é que a temperatura na seção quente aumentou melhorando o processo e a geometria de resfriamento juntos, e não encontrando um novo metal base. Uma pá de cristal único com resfriamento por filme e um revestimento de barreira térmica é um sistema, e a liga é um elemento dele. Uma página que credita apenas a liga descreveu um terço da razão pela qual a turbina funciona.

A forma do produto ainda segue a rota, e o documento ainda segue a forma. Barra, tarugo e material de forjamento são a entrada para uma peça usinada ou forjada. Pó é a entrada para um disco consolidado. Fio e tira são a entrada para uma montagem soldada ou conformada. Chapa é a entrada para um combustor ou uma carcaça.

A DLX fornece superligas à base de níquel e cobalto em Changzhou, Jiangsu, em fio de 0,025 mm, barra redonda até 50 mm, tira de 0,50 mm a 2,5 mm de espessura, e tubo e chapa nos tamanhos padrão de laminação. A gama abrange os graus de solução sólida e endurecimento por precipitação usados em hardware aeroespacial e de energia, juntamente com as ligas de enchimento correspondentes para soldagem.

O material é fornecido de acordo com a especificação nomeada no pedido, com um certificado EN 10204 3.1 mediante solicitação e o número do lote rastreável aos resultados dos testes. Um comprador que está movendo uma peça para uma nova rota de conformação geralmente precisará primeiro da forma de entrada e seu certificado, porque a qualificação da rota começa com o material e não com a peça acabada.

As composições foram desenvolvidas ao longo de décadas e as ligas amplamente utilizadas estão maduras. A maior parte do ganho recente veio da rota de conformação, da geometria de resfriamento e dos revestimentos, e esses três funcionam como um sistema. Uma pá de cristal único com resfriamento por filme e um revestimento de barreira térmica tem um desempenho a uma temperatura que a liga sozinha não sobreviveria.

Porque os contornos de grão são removidos do caminho de carga. Em uma pá fundida convencionalmente, os contornos atravessam a seção que suporta a carga centrífuga, e eles são o caminho fraco em temperatura. A solidificação direcional alinha os contornos ao longo da carga, e a fundição de cristal único os remove completamente, de modo que o mecanismo de fluência que limita a fundição é eliminado e não reduzido.

Precipitação de contorno de partícula anterior, porosidade induzida termicamente e inclusões não metálicas. O primeiro é uma rede de precipitados que segue as superfícies originais das partículas de pó, o segundo é porosidade de gás aprisionado no pó que se expande em temperatura, e o terceiro é uma inclusão sólida que chegou com o pó. Nenhum deles aparece em um certificado de composição, e eles são encontrados por inspeção ultrassônica, seção e controle do lote de pó.

O peso do material comprado dividido pelo peso da peça acabada. Forjamento e usinagem geralmente ficam em torno de 3:1 a 10:1, e manufatura aditiva em torno de 1:1 a 3:1, razão pela qual a rota aditiva é atraente para uma peça complexa e não para uma simples. A relação é uma medida de custo de material, e não diz nada sobre a vida útil de fadiga da peça.

Não, ela muda o que precisa ser qualificado. Uma peça construída tem um histórico térmico e uma estrutura dependente da direção, portanto, o desenho deve indicar a orientação em que as propriedades importam, e a janela do processo deve ser fixa. A economia de material é real e o ônus de qualificação é maior do que para uma forja da mesma liga.

Porque uma está cotando um processo qualificado e a outra está cotando um material. O preço da liga é uma pequena parte da diferença. O restante é a rota, a inspeção, os registros do processo e o rendimento, e uma rota que não foi qualificada carrega um custo que aparece após o pedido.

A inovação em superligas aeroespaciais e de energia passou da composição para a rota de conformação. A solidificação direcional e a fundição de cristal único removem os contornos de grão que limitam a fluência. A metalurgia do pó produz uma estrutura de disco que uma fundição não consegue alcançar, ao preço de três defeitos que vêm do pó. A manufatura aditiva muda a geometria que é possível e a fração de metal comprado que chega à peça.

Cada rota traz um defeito e um ônus de qualificação, e a especificação de compra deve nomear ambos. Um comprador que especifica a liga e a forma especificou a entrada. Um comprador que também especifica a rota, a aceitação de defeitos e a evidência especificou a peça.

1. Revisões publicadas de superligas de disco de níquel à base de metalurgia do pó, identificando precipitação de contorno de partícula anterior, porosidade induzida termicamente e inclusões não metálicas como os três defeitos característicos da rota.
2. Estudos publicados sobre a formação de contorno de partícula anterior em superligas de níquel, descrevendo a rede de precipitados que segue as superfícies das partículas originais após a consolidação.
3. Trabalhos publicados sobre solidificação direcional de pás de turbina de cristal único, incluindo a liga de segunda geração CMSX-4 usada em pás de turbina a gás desde a década de 1990, a liga de terceira geração Rene N5, e o defeito de mancha que se forma quando a frente de solidificação é perturbada.
4. Avaliações publicadas de fundição de cristal único para pás de turbina, descrevendo a remoção de contornos de grão do caminho de carga e o benefício de fluência resultante.
5. Revisão publicada de manufatura aditiva de metal na indústria aeroespacial, relatando relações compra/voo de cerca de 1:1 a 3:1 para rotas aditivas.
6. Avaliações da indústria publicadas de forjamento e usinagem, relatando relações compra/voo de cerca de 3:1 a 10:1, e de compósito de fibra de carbono em cerca de 1,5:1 como comparação.
7. Especificações de produto AMS e ASTM para barras, tarugos, chapas, folhas e fios de superliga de níquel, como os documentos que regem as formas de entrada nomeadas na tabela.
8. EN 10204, documentos de inspeção, para a definição do certificado 3.1 como um documento que carrega resultados de teste reais e endossado pelo representante de inspeção independente do fabricante.

As rotas e mecanismos de defeito acima descrevem o comportamento geral dos processos nomeados, e não são uma declaração de que um fornecedor específico é qualificado para uma peça específica. As relações compra/voo variam com a geometria do componente e com a quantidade de folga de usinagem, portanto, os intervalos citados são valores típicos e não alvos de projeto. As propriedades de uma peça construída ou fundida dependem do histórico térmico local e da orientação do espécime de teste, portanto, um valor de uma barra de teste não descreve todos os locais em uma peça. Os requisitos de qualificação para hardware de voo são definidos pelo fabricante da estrutura da aeronave ou do motor e pela autoridade de aeronavegabilidade aplicável, e nada nesta página constitui uma qualificação. As especificações do produto são revisadas, e a edição nomeada no pedido de compra rege. Nada nesta página substitui uma liberação de engenharia ou os testes de qualificação acordados entre comprador e fornecedor.