Por que as peças aeroespaciais têm requisitos particularmente rigorosos para tratamento térmico?

1. Circunstâncias extremas de trabalho testam os limites do bom funcionamento dos materiais.
As técnicas de tratamento térmico têm dificuldade em atender às muitas necessidades concorrentes de desempenho das peças aeroespaciais ao mesmo tempo.
Resistência a altas temperaturas e resistência à fluência: As lâminas da turbina precisam permanecer fortes em altas temperaturas de 1300 graus. O tratamento térmico precisa formar 'reforço de precipitação de fase por meio de solução sólida e tratamento de envelhecimento. Isso pode fazer com que as ligas-à base de níquel-de alta temperatura durem mais de três vezes mais antes de quebrarem devido à fluência. Por exemplo, a resistência à resistência a altas-temperaturas de um certo tipo de pá de motor de aeronave passou de 400MPa para 650MPa após solidificação direcionada e tratamento térmico.
Para aumentar o limite de escoamento de 150MPa para 350MPa e manter a densidade em apenas um{2}}terço da do aço, as peças estruturais da fuselagem em liga de alumínio devem passar por tratamento térmico T6 (solução sólida mais envelhecimento artificial). 7075 a liga de alumínio tem uma resistência específica de 200MPa/(g/cm³) após o tratamento térmico. É por isso que é a liga de alumínio mais comum usada na indústria da aviação.
O trem de pouso precisa ser capaz de suportar 10 ⁷ ciclos de carga, e o processo de tratamento térmico precisa criar uma estrutura de fase dupla de bainita + martensita inferior por meio de têmpera isotérmica de bainita. Isto aumenta o limite de fadiga do aço 40CrNi2MoA de 450MPa para 650MPa. Depois de aquecido, a taxa de propagação de fraturas de um determinado tipo de trem de pouso de avião caiu 60% quando colocado em condições de serviço simuladas.
2. O controle do processo é particularmente mais difícil com estruturas complicadas.
As intrincadas características geométricas dos componentes aeroespaciais apresentam um obstáculo significativo à consistência do tratamento térmico:
Controlando a deformação de estruturas de paredes-finas: peças de paredes-finas (com espessuras de parede de 0,5 a 2 mm) em câmaras de combustão de motores tendem a deformar durante a têmpera porque esfriam em taxas diferentes. A tecnologia de têmpera a gás de alta-pressão a vácuo gerencia cuidadosamente a pressão do nitrogênio (2–6 bar) para evitar que peças de paredes-finas dobrem demais, de 0,3% a 0,05%, que é o necessário para uma montagem precisa.
O disco da turbina de um certo tipo de motor de aviação tem diâmetro de 800 mm e espessura de 200 mm. Isto significa que o aquecimento é uniforme em todas as áreas. Ao aquecer com um forno de ar típico, a diferença de temperatura entre o núcleo e a superfície pode chegar a 150 graus Celsius. A uniformidade da temperatura é mantida dentro de ± 5 graus após a mudança para um forno a vácuo com controle de temperatura inteligente multi-zonas. Isso evita falhas precoces causadas por organização desigual.
Difícil processar os canais de fluxo na cavidade interna: O canal de fluxo de resfriamento da cavidade interna de todo o disco da lâmina tem apenas 2–3 mm de largura, portanto é difícil obter uma organização uniforme com tratamento térmico normal. Usando técnicas de aquecimento por indução e têmpera por spray, a diferença de dureza entre a superfície e o núcleo do canal de fluxo foi reduzida de 15HRC para 5HRC. Isto tornou o canal de fluxo muito mais resistente à fadiga térmica.
3. Os requisitos de rastreabilidade da qualidade devem ser seguidos ao longo de todo o ciclo de vida.
A indústria aeroespacial criou um sistema-de circuito fechado completo para verificar a qualidade do tratamento térmico:
Suporte a banco de dados de processos: Uma empresa de fabricação de aviação criou um banco de dados de processos de tratamento térmico que compreende mais de 2.000 variedades de materiais. Cada processo deve chamar os parâmetros corretos. A temperatura de transição da fase beta da liga de titânio TC4 é de 980 ± 5 graus. O banco de dados mantém com precisão a temperatura da solução sólida entre 975 e 985 graus para evitar queima excessiva ou engrossamento da microestrutura.
Rastreabilidade total do registro do processo: Mais de 30 itens precisam ser registrados e mantidos por pelo menos 15 anos durante o processo de tratamento térmico. Estes incluem a curva de aquecimento, taxa de resfriamento e grau de vácuo. Após cinco anos de uso, um certo tipo de bocal de motor de foguete começou a quebrar. Observando os registros do tratamento térmico, constatou-se que o desvio de concentração do meio de têmpera foi de 0,5%. Esta foi finalmente considerada a principal causa do crack.
Testes não{0}}destrutivos são obrigatórios: todas as peças importantes devem ser testadas com ondas ultrassônicas 100% do tempo, com uma sensibilidade de até 0,2 mm para furos-com fundo plano. Depois de aquecido, um teste ultrassônico de phased array detectou uma microfissura de 0,1 mm no limite de grão de um rolamento de aviação específico. O retrabalho foi feito dentro do prazo para evitar acidentes graves.
4. As necessidades-específicas do setor motivam o aprimoramento constante da tecnologia.
A indústria aeroespacial está pressionando pelo avanço das tecnologias de tratamento térmico na direção de “três altos e um baixo”:
Ambiente de alto vácuo: a liga de titânio reage facilmente com o oxigênio em temperaturas acima de 600 graus. O tratamento térmico a vácuo pode manter o nível de oxigênio abaixo de 10 ppm, o que torna a liga de titânio TC11 25% mais forte contra a fadiga. O tratamento térmico a vácuo aumentou a vida operacional de um certo tipo de suporte de satélite em órbita de 5 para 8 anos.
Controle de temperatura muito preciso: Para tratar termicamente um tipo especial de lâmina de cristal único para motor de aviação, a temperatura deve permanecer dentro de ± 1,5 graus. Um monitoramento de temperatura por infravermelho e um sistema de gerenciamento de circuito-fechado são utilizados para reduzir o desvio padrão do conteúdo da fase alfa inicial do blade de 3% para 0,5%. Isso torna o desempenho do blade em-altas temperaturas muito mais estável.
Processamento de feixe de alta energia: A tecnologia de reforço de superfície a laser pode criar uma camada endurecida de até 0,5 mm de profundidade na peça. Isso aumenta a vida útil da fadiga de contato de um certo tipo de equipamento de helicóptero de 10 ⁷ para 10 ⁸ vezes e o torna 15% mais leve.
O tratamento térmico da aviação eliminou totalmente o meio de têmpera que contém cianeto e mudou para uma solução aquosa de álcool polivinílico (PVA). Isto reduziu o valor de DQO das águas residuais de 5.000 mg/L para 200 mg/L, o que está em conformidade com as regras ambientais.