Tendências de Mercado em Componentes Aeroespaciais e de Precisão para Aeronaves

Os tempos mudaram. Um jato típico em construção hoje consiste em apenas 20% de alumínio puro. A maioria dos materiais de construção não-críticos — painéis e interiores estéticos — agora consistem em polímeros reforçados com fibra de carbono (PRFC) e materiais de favo de mel ainda mais leves. Enquanto isso, para peças de motor e componentes críticos de aeronaves de precisão, há uma ênfase simultânea em menor peso e maior resistência à temperatura para melhor eficiência de combustível, trazendo metais novos ou anteriormente impraticáveis de usinar para a mistura de materiais aeroespaciais.

Aeroespacial: Único Entre as Indústrias

A manufatura aeroespacial é única entre outros setores de produção em massa, especialmente na produção de motores aeronáuticos. O motor é o componente mais complexo de um avião, contém o maior número de componentes individuais e determina ultimately o consumo de combustível. O advento de motores de mistura pobre com potenciais de temperatura de até 2.100 °C (3.800 °F) ajudou a aumentar a demanda por esses novos materiais. Dado que as superligas atuais têm ponto de fusão em torno de 1.850 °C (3.360 °F), encontrar materiais que suportem temperaturas mais altas torna-se um desafio.

Para atender a esses requisitos de temperatura, Superligas Resistentes ao Calor (HRSA) estão sendo introduzidas na equação de materiais, incluindo ligas de titânio, ligas de níquel e alguns materiais compósitos não-metálicos como cerâmicas. Estes materiais parecem ser mais difíceis de usinar que o alumínio tradicional, o que historicamente significa vida útil de ferramenta mais curta e menos segurança de processo.

Também há alto risco de processo na usinagem de peças aeroespaciais. Como as margens de erro são inexistentes a 35.000 pés de altitude de cruzeiro, as tolerâncias no aeroespacial são mais precisas que em quase qualquer outra indústria. Este nível de precisão leva tempo. Tempos de usinagem mais longos são necessários para cada componente, e mais tempo por peça torna a sucata relativamente cara, quando se considera o investimento de tempo. Além disso, comparado a outras indústrias, pedidos de componentes aeroespaciais frequentemente consistem em pequenas quantidades e longos prazos de entrega, tornando o agendamento para produtividade, vazão e rentabilidade difícil.

Diferente de qualquer outra indústria, exceto petróleo e gás, que também tem requisitos de alta temperatura, pressão e corrosão, os próprios materiais aeroespaciais impactam o design do componente. Design para Manufaturabilidade (DFM) é a arte da engenharia de projetar componentes com abordagem equilibrada, considerando tanto a função do componente quanto seus requisitos de fabricação. Esta abordagem está sendo aplicada cada vez mais no design de componentes aeroespaciais e componentes de aeronaves de precisão, pois seus componentes precisam suportar certas cargas e resistência à temperatura, e alguns materiais só podem aguentar tanto. Os designs de materiais e componentes realmente impulsionam um ao outro, não um após o outro. Esta relação entre material e design é especialmente importante ao estudar materiais de próxima geração. Por todas estas razões, fabricantes de aviação são diferentes uns dos outros. Não é de admirar que sua gama de materiais seja única.

Uma Nova Paisagem de Materiais

O alumínio de aviação padrão — 6061, 7050 e 7075 — e metais de aviação tradicionais — níquel 718, titânio 6Al4V e aço inoxidável 15-5PH — ainda são usados na aviação. No entanto, estes metais estão agora cedendo espaço a novas ligas projetadas para melhorar custo e eficiência. Para ser claro, estes novos metais nem sempre são novos, alguns existem há décadas. Em vez disso, são novos para aplicações práticas de manufatura, pois máquinas-ferramenta, tecnologia de ferramentas e revestimentos de pastilhas estão avançados o suficiente para lidar com ligas de difícil usinagem.

Embora a quantidade de alumínio em aeronaves esteja diminuindo, seu uso não está desaparecendo completamente. Na verdade, o alumínio volta, especialmente em casos onde a transição para PRFC provou ser proibitiva ou ineficaz. Mas o alumínio que reaparece não é o alumínio do seu pai. Por exemplo, aluminetos de titânio (TiAl) e alumínio-lítio (Al-Li), que existem desde os anos 1970, só vêm ganhando espaço na aviação desde a virada do século.

Como a liga de níquel em suas propriedades resistentes ao calor, o TiAl retém resistência e resistência à corrosão em temperaturas de até 600 °C (1.112 °F). Mas o TiAl é mais fácil de usinar, mostrando propriedades de usinabilidade semelhantes ao titânio alfa-beta, como Ti6Al4V. Mais importante, o TiAl pode melhorar a relação empuxo-peso em motores aeronáuticos porque é metade da densidade das ligas de níquel. Por exemplo, tanto pás de turbina de baixa pressão quanto pás de compressor de alta pressão, tradicionalmente feitas de superligas densas à base de níquel, agora são usinadas a partir de ligas baseadas em TiAl. A General Electric foi pioneira neste desenvolvimento e usa pás de turbina de baixa pressão de TiAl em seu motor GEnx, o primeiro uso em larga escala do material em um motor a jato comercial — neste caso, o Boeing 787 Dreamliner.

Outra reintrodução do alumínio na indústria aeroespacial pode ser encontrada no Al-Li leve, especialmente projetado para melhorar as propriedades do alumínio 7050 e 7075. No geral, a adição de lítio fortalece o alumínio com menor densidade e peso, dois catalisadores para a evolução do material de aviação. A alta resistência das ligas Al-Li, baixa densidade, alta rigidez, tolerância a danos, resistência à corrosão e natureza favorável à soldagem tornam-no uma escolha melhor que o alumínio tradicional em fuselagens de jatos comerciais. Atualmente, a Airbus usa o AA2050. Enquanto isso, a Alcoa usa o AA2090 T83 e o 2099 T8E67. A liga também é encontrada nos tanques de combustível e oxidante dos foguetes espaciais SpaceX Falcon 9, e é usada extensivamente em projetos de foguetes e ônibus espaciais da NASA.

Titânio 5553 (Ti-5553) é outro metal relativamente novo na aviação, mostrando alta resistência, leveza e boa resistência à corrosão. Os principais componentes estruturais, que devem ser mais fortes e leves que as ligas de aço inoxidável usadas anteriormente, são os pontos ideais de aplicação para esta liga de titânio. Conhecido como triplo 5-3, era um material extremamente difícil de usinar — até recentemente. Extensa pesquisa e desenvolvimento foi realizada para tornar o metal prático para usinagem, e o triplo 5-3 recentemente provou ser muito previsível devido à consistência de usinagem semelhante a ligas de titânio mais tradicionais como o mencionado Ti6Al4V. As diferenças nos dois materiais exigem dados de corte diferentes para alcançar vida útil de ferramenta semelhante. Mas quando o operador tem os parâmetros apropriados definidos, máquinas de triplo 5-3 podem ser previstas. A chave com o Triplo 5-3 é operação um pouco mais lenta e otimização do caminho da ferramenta e sistema de resfriamento para alcançar um bom equilíbrio entre vida útil da ferramenta e segurança.

Certos componentes estruturais, como fixadores, chassis e cilindros, requerem resistência bruta, e leveza é menos prioridade. Em tais casos, a liga de aço Ferrium S53 fornece propriedades mecânicas iguais ou melhores que aços de ultra-alta resistência convencionais como 300M e SAE 4340, com o benefício adicional de resistência à corrosão geral. Isso pode eliminar a necessidade de revestimento de cádmio e o processamento subsequente relacionado.

Compósitos Alcançam seu Passo

Materiais compósitos também estão compondo uma fatia crescente do bolo de materiais aeroespaciais. Eles reduzem peso e consumo de combustível enquanto são fáceis de manusear, projetar, moldar e reparar. Uma vez considerados apenas para membros estruturais leves ou componentes de cabine, a gama de compósitos aeroespaciais agora se estende a componentes verdadeiramente funcionais — peles de asa e fuselagem, motores e trem de pouso.

Também importante, elementos compósitos podem ser moldados em formas complexas que exigiriam usinagem e união no caso de peças metálicas. Componentes compósitos pré-moldados não são apenas leves e fortes, mas também reduzem o número de fixadores e juntas pesados — que são pontos potenciais de falha — em um avião. Dessa forma, materiais compósitos ajudam a impulsionar a tendência global de reduzir o número de componentes em montagens inteiras, utilizando designs de peça única sempre que possível.

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