A liga de alta temperatura também é chamada de liga de alta resistência térmica. De acordo com a estrutura da matriz, os materiais podem ser divididos em três categorias: à base de ferro, à base de níquel e à base de cromo. De acordo com o modo de produção, podem ser divididos em superligas deformadas e superligas fundidas.
É uma matéria-prima indispensável na indústria aeroespacial. É o material chave para componentes de alta temperatura em motores aeroespaciais e de aviação. É utilizado principalmente na fabricação de câmaras de combustão, pás de turbina, pás guia, discos de compressores e turbinas, carcaças de turbinas e outras peças. A faixa de temperatura de serviço é de 600 °C a 1200 °C. As condições de tensão e ambientais variam de acordo com as peças utilizadas. Existem requisitos rigorosos para as propriedades mecânicas, físicas e químicas da liga. Ela é o fator decisivo para o desempenho, a confiabilidade e a vida útil do motor. Portanto, a superliga é um dos principais projetos de pesquisa nas áreas aeroespacial e de defesa nacional em países desenvolvidos.
As principais aplicações das superligas são:
1. Liga de alta temperatura para câmara de combustão
A câmara de combustão (também conhecida como tubo de chama) de um motor de turbina de aviação é um dos principais componentes de alta temperatura. Como a atomização do combustível, a mistura de óleo e gás e outros processos ocorrem na câmara de combustão, a temperatura máxima pode atingir 1500 °C a 2000 °C, e a temperatura da parede pode chegar a 1100 °C. Ao mesmo tempo, ela também suporta tensões térmicas e de gases. A maioria dos motores com alta relação empuxo/peso utiliza câmaras de combustão anulares, que possuem comprimento reduzido e alta capacidade térmica. A temperatura máxima na câmara de combustão atinge 2000 °C, e a temperatura da parede chega a 1150 °C após o resfriamento por película de gás ou vapor. Grandes gradientes de temperatura entre as diversas partes geram tensões térmicas, que aumentam e diminuem bruscamente com as mudanças no estado de funcionamento. O material fica sujeito a choque térmico e fadiga térmica, podendo sofrer distorções, fissuras e outras falhas. Geralmente, a câmara de combustão é feita de liga metálica, e os requisitos técnicos são resumidos a seguir, de acordo com as condições de serviço de peças específicas: deve apresentar certa resistência à oxidação e à corrosão por gases em condições de uso de ligas e gases em altas temperaturas; deve apresentar certa resistência instantânea e de resistência à fadiga térmica, além de baixo coeficiente de expansão; deve ter plasticidade e soldabilidade suficientes para garantir o processamento, a conformação e a conexão; deve apresentar boa estabilidade estrutural sob ciclos térmicos para garantir a operação confiável durante a vida útil.
a. Laminado poroso de liga MA956
Inicialmente, o laminado poroso era fabricado com chapa de liga HS-188 por meio de colagem por difusão, após ser fotografado, gravado, ranhurado e perfurado. A camada interna podia ser transformada em um canal de resfriamento ideal, de acordo com os requisitos do projeto. Essa estrutura de resfriamento necessitava de apenas 30% do gás refrigerante necessário para o resfriamento por película tradicional, o que podia melhorar a eficiência do ciclo térmico do motor, reduzir a capacidade de suporte térmico real do material da câmara de combustão, diminuir o peso e aumentar a relação empuxo-peso. Atualmente, ainda é necessário desenvolver tecnologias-chave para que possa ser aplicado na prática. O laminado poroso feito de MA956 é uma nova geração de material para câmaras de combustão introduzida nos Estados Unidos, que pode ser utilizado a 1300 °C.
b. Aplicação de compósitos cerâmicos em câmaras de combustão
Os Estados Unidos começaram a verificar a viabilidade do uso de cerâmica em turbinas a gás desde 1971. Em 1983, alguns grupos envolvidos no desenvolvimento de materiais avançados nos Estados Unidos formularam uma série de indicadores de desempenho para turbinas a gás utilizadas em aeronaves de última geração. Esses indicadores são: aumentar a temperatura de entrada da turbina para 2200 °C; operar sob o estado de combustão do cálculo químico; reduzir a densidade aplicada a essas peças de 8 g/cm³ para 5 g/cm³; e eliminar o resfriamento dos componentes. Para atender a esses requisitos, os materiais estudados incluem grafite, matriz metálica, compósitos de matriz cerâmica e compostos intermetálicos, além de cerâmicas monofásicas. Os compósitos de matriz cerâmica (CMC) apresentam as seguintes vantagens:
O coeficiente de expansão do material cerâmico é muito menor do que o da liga à base de níquel, e o revestimento descasca com facilidade. A fabricação de compósitos cerâmicos com feltro metálico intermediário pode superar o defeito de descascamento, sendo essa a direção de desenvolvimento de materiais para câmaras de combustão. Esse material pode ser usado com 10% a 20% de ar de resfriamento, e a temperatura do isolamento metálico traseiro é de apenas cerca de 800 °C, sendo a temperatura de suporte térmico muito inferior à do resfriamento divergente e do resfriamento por película. A superliga fundida B1900 com revestimento cerâmico é utilizada no motor V2500, e a direção de desenvolvimento é substituir a placa de B1900 (com revestimento cerâmico) por compósito à base de SiC ou compósito C/C antioxidante. O compósito de matriz cerâmica é o material em desenvolvimento para câmaras de combustão de motores com relação empuxo-peso de 15 a 20, e sua temperatura de serviço é de 1538 °C a 1650 °C. É utilizado em tubos de chama, paredes flutuantes e pós-combustores.
2. Liga de alta temperatura para turbina
A pá da turbina de um motor aeronáutico é um dos componentes que suportam as cargas térmicas mais severas e o ambiente de trabalho mais adverso em um motor aeronáutico. Ela precisa suportar tensões muito elevadas e complexas sob altas temperaturas, portanto, seus requisitos de material são muito rigorosos. As superligas para pás de turbina de motores aeronáuticos são divididas em:
a. Liga de alta temperatura para guia
O defletor é uma das peças do motor da turbina mais afetadas pelo calor. Quando ocorre combustão irregular na câmara de combustão, a carga térmica da palheta guia do primeiro estágio é grande, sendo essa a principal causa de danos à palheta guia. Sua temperatura de serviço é cerca de 100 °C superior à da pá da turbina. A diferença reside no fato de que as peças estáticas não estão sujeitas a cargas mecânicas. Geralmente, é fácil ocorrerem tensões térmicas, distorções, trincas por fadiga térmica e queimaduras localizadas devido à rápida variação de temperatura. A liga da palheta guia deve apresentar as seguintes propriedades: resistência suficiente a altas temperaturas, bom desempenho em fluência permanente e resistência à fadiga térmica, alta resistência à oxidação e à corrosão térmica, resistência a tensões térmicas e vibrações, capacidade de deformação por flexão, bom desempenho em processos de fundição e soldabilidade, além de boa proteção por revestimento.
Atualmente, a maioria dos motores avançados com alta relação empuxo/peso utiliza pás fundidas ocas, e ligas super-revestidas de níquel, direcionais e monocristalinas, são selecionadas. Motores com alta relação empuxo/peso operam em temperaturas elevadas, entre 1650 °C e 1930 °C, e necessitam de proteção por revestimento isolante térmico. A temperatura de serviço da liga da pá, sob condições de resfriamento e proteção por revestimento, ultrapassa 1100 °C, o que impõe novas e mais rigorosas exigências em relação à densidade térmica e ao custo do material da pá guia no futuro.
b. Superligas para pás de turbina
As pás da turbina são as principais peças rotativas que suportam o calor em motores aeronáuticos. Sua temperatura de operação é de 50 °C a 100 °C inferior à das pás guia. Elas sofrem grande tensão centrífuga, tensão vibratória, tensão térmica, abrasão pelo fluxo de ar e outros efeitos durante a rotação, em condições de trabalho adversas. A vida útil dos componentes da extremidade quente do motor, com alta relação empuxo/peso, é superior a 2000 horas. Portanto, a liga para pás de turbina deve apresentar alta resistência à fluência e à ruptura em temperatura de serviço, boas propriedades abrangentes em altas e médias temperaturas, como fadiga de alto e baixo ciclo, fadiga a frio e a quente, plasticidade e tenacidade ao impacto suficientes, e sensibilidade a entalhes; alta resistência à oxidação e à corrosão; boa condutividade térmica e baixo coeficiente de expansão linear; bom desempenho no processo de fundição; estabilidade estrutural a longo prazo, sem precipitação da fase TCP em temperatura de serviço. A liga aplicada passa por quatro estágios; as aplicações de ligas deformadas incluem GH4033, GH4143, GH4118, etc. A aplicação de ligas fundidas inclui K403, K417, K418, K405, ouro solidificado direcionalmente DZ4, DZ22, liga monocristalina DD3, DD8, PW1484, etc. Atualmente, já se desenvolveu a terceira geração de ligas monocristalinas. As ligas monocristalinas chinesas DD3 e DD8 são utilizadas, respectivamente, em turbinas, motores turbofan, helicópteros e motores navais na China.
3. Liga de alta temperatura para disco de turbina
O disco da turbina é a parte rotativa do motor da turbina que sofre maior tensão. A temperatura de operação do flange da roda do motor, com uma relação de empuxo de 8 e 10, atinge 650 °C e 750 °C, respectivamente, enquanto a temperatura no centro da roda é de cerca de 300 °C, apresentando uma grande diferença de temperatura. Durante a rotação normal, ele aciona a pá em alta velocidade e suporta a máxima força centrífuga, tensão térmica e tensão de vibração. Cada partida e parada constitui um ciclo, com o centro da roda, a garganta, o fundo da ranhura e a borda sujeitos a diferentes tensões compostas. A liga deve apresentar a maior resistência ao escoamento, tenacidade ao impacto e ausência de sensibilidade a entalhes na temperatura de serviço; baixo coeficiente de expansão linear; certa resistência à oxidação e corrosão; e bom desempenho de corte.
4. Superliga aeroespacial
A superliga utilizada em motores de foguete a combustível líquido é empregada em componentes como o painel injetor de combustível da câmara de combustão na câmara de impulso; cotovelo da bomba da turbina, flange, fixador do leme de grafite, etc. A liga de alta temperatura utilizada em motores de foguete a combustível líquido também é empregada em componentes como o painel injetor da câmara de combustão na câmara de impulso; cotovelo da bomba da turbina, flange, fixador do leme de grafite, etc. O GH4169 é utilizado como material para o rotor da turbina, eixo, bucha do eixo, fixadores e outras peças importantes de rolamento.
Os materiais do rotor da turbina do motor de foguete líquido americano incluem principalmente o tubo de admissão, a pá da turbina e o disco. A liga GH1131 é a mais utilizada na China, e a escolha da pá da turbina depende da temperatura de operação. Para o disco da turbina, devem ser utilizados, sucessivamente, Inconel X, Alloy713C, Astroloy e Mar-M246. Os materiais do disco da turbina incluem Inconel 718, Waspaloy, etc. As turbinas integrais são geralmente feitas de GH4169 e GH4141, e o eixo do motor é feito de GH2038A.