Introdução: Por que a brasagem é necessária na fabricação aeroespacial.
O setor de fabricação aeroespacial exige continuamente maior desempenho dos materiais, o que se reflete em temperaturas mais elevadas, pesos reduzidos e condições de serviço mais adversas. Técnicas tradicionais de união de peças, como a soldagem por fusão, normalmente não funcionam nessas circunstâncias devido à formação de trincas, deformações ou redução metalúrgica inaceitável.
Dessa forma, a tecnologia de brasagem foi desenvolvida como um processo de união complementar a um processo essencial de fabricação e reparo, desempenhando um papel importante no processamento de componentes aeroespaciais essenciais.
A brasagem também tem sido usada nas pás das turbinas de motores de aviação, em estruturas em forma de colmeia e na criação do compósito de matriz cerâmica de alta tecnologia, para unir materiais que, de outra forma, não podem ser soldados ou são difíceis de soldar.
Pás de turbina de motores de aviação: avanços em materiais e reparos de precisão
A importância técnica da brasagem de pás de turbina
Uma das partes mais exigentes dos motores de aviação são as pás da turbina. Elas precisam operar sob condições térmicas e mecânicas extremas e geralmente são feitas de superligas à base de níquel ou cobalto com alto teor de fase γ (gama-prima). Embora essas ligas apresentem alta resistência a altas temperaturas e à fluência, são muito suscetíveis a trincas térmicas durante o processo de soldagem por fusão devido à sua baixa ductilidade.
Consequentemente, a brasagem pode ser a única maneira viável de conectar essas peças e repará-las. A brasagem permite reparar rachaduras, desgaste da ponta e danos nos canais de refrigeração localmente, sem gerar os gradientes térmicos excessivos que comprometeriam a integridade da lâmina.
Colagem de lâminas monocristalinas por fase líquida transitória (TLP)
No caso das pás de turbina monocristalinas contemporâneas, como as utilizadas em ligas de alta tecnologia da série CMSX, a brasagem convencional já não é eficaz. A brasagem por difusão em fase líquida transiente (TLP) tem sido cada vez mais utilizada pelos fabricantes aeroespaciais para obter uma continuidade metalúrgica quase perfeita.
Neste processo de soldagem TLP, metais de enchimento amorfos à base de níquel (tipicamente ligas da série MBF) são fundidos e solidificados isotermicamente por difusão de elementos. Como o tempo de difusão é longo, a linha de solda praticamente desaparece, restaurando uma estrutura monocristalina contínua sobre a junta. Isso é importante para manter a resistência à fadiga e à fluência em altas temperaturas.
Inovação (Sistemas de Metal de Preenchimento)
Os metais de adição para brasagem à base de níquel, tradicionalmente utilizados, contêm boro como agente redutor do ponto de fusão. Embora eficaz, a difusão do boro nos contornos de grão pode causar fragilização a longo prazo, um risco inaceitável para componentes de motores aeroespaciais.
Para contrariar isso, foram desenvolvidos sistemas de metal de enchimento aprimorados com composições químicas de Ni-Cr-Zr ou Ni-Cr-Hf. O zircônio e o háfnio apresentam alta atividade interfacial, sem fase frágil, o que aumenta a tenacidade da junta e a confiabilidade a longo prazo sob carga térmica cíclica.
Benefícios em termos de custo, confiabilidade e ciclo de vida
As tecnologias de reparo por brasagem reduzem significativamente os custos de manutenção das pás de turbinas. Pás bem brasadas e unidas por difusão podem ter uma vida útil muito superior à de componentes novos; o custo de substituição é minimizado, mantendo-se, ainda assim, as margens de segurança aeroespacial.
Estruturas em favo de mel para aviação: estruturas mais leves sem redução da resistência.
Razões pelas quais as estruturas em favo de mel dependem da brasagem.
Essas estruturas aeroespaciais em formato de colmeia são populares em reversores de empuxo, naceles de motores, escudos térmicos, revestimentos acústicos e vedações. Elas são extremamente rígidas e resistentes, além de possuírem um peso muito baixo, um atributo crucial para a economia de combustível e o desempenho.
As estruturas em favo de mel são compostas por um grande número de lâminas ou chapas metálicas de paredes finas, unidas em grandes áreas de superfície. A soldagem por fusão não é viável, pois resulta em deformações e é propensa a perfurações. A brasagem, por outro lado, oferece uma união consistente com poucos efeitos térmicos.
Benefícios dos metais de enchimento em folha amorfa.
No caso da brasagem de estruturas alveolares aeroespaciais, os metais de adição do tipo folha ultrafina de liga de níquel amorfa, com aproximadamente 0,001 a 0,002 polegadas de espessura, são muito procurados. Essas folhas apresentam uma série de benefícios importantes:
- Dosagem precisa do volume de material, evitando o acúmulo.
- Menor erosão de metais básicos de paredes finas.
- Formação padronizada de juntas em grandes regiões coladas.
Ao contrário dos metais de enchimento em pó, as lâminas amorfas não se movem durante o aquecimento; elas mantêm sua geometria na junta, e os materiais de enchimento não se perdem nem ficam presos nas células em forma de favo de mel.
Integridade Estrutural e Garantia de Qualidade
As estruturas alveolares brasadas são necessárias para atender aos rigorosos requisitos aeroespaciais de resistência, fadiga e estabilidade térmica. A repetibilidade e as juntas sem defeitos, com alta integridade estrutural ao longo da vida útil, são alcançadas por meio de perfis de aquecimento controlados e condições atmosféricas uniformes, auxiliadas por fornos de brasagem de alta precisão.
Integração de sistemas aeroespaciais com compósitos de matriz cerâmica (CMCs).
O desafio de unir CMCs a metais
O uso crescente de compósitos de matriz cerâmica (CMCs), incluindo carbono-carbono (CC) e carbeto de silício-carbeto de silício (SiC-SiC), é observado em componentes aeroespaciais e de espaçonaves mais avançados. Esses materiais oferecem desempenho térmico superior e baixa densidade, sendo, portanto, ideais para aplicações em bocais de exaustão, sistemas de proteção térmica e em aplicações hipersônicas.
No entanto, as técnicas de soldagem convencionais não podem ser aplicadas às estruturas metálicas às quais os CMCs serão colados devido às diferenças básicas de expansão térmica, adesão e estabilidade química.
Brasagem ativa como solução chave.
O princípio orientador na incorporação de CMCs com ligas de titânio ou superligas à base de níquel é a brasagem, mais especificamente a brasagem com metal ativo. Os metais de adição ativos mais comuns são baseados em sistemas Ag-Cu-Ti e incluem elementos reativos que reagem para formar compostos interfaciais estáveis na superfície da cerâmica.
Trata-se de uma ligação metalúrgica que permite juntas estruturalmente estáveis, capazes de suportar gradientes térmicos e cargas mecânicas extremas. Os conjuntos resultantes combinam as melhores características da cerâmica e dos metais, ampliando as possibilidades de projeto de sistemas aeroespaciais de última geração.
Aplicação do papel dos equipamentos de brasagem industrial na indústria aeroespacial.
A obtenção de juntas brasadas de nível aeroespacial não depende apenas do metal de adição. Em terceiro lugar, a regulação térmica precisa, a pureza da atmosfera e a repetibilidade dos parâmetros do processo também são essenciais. A estabilidade necessária na brasagem por difusão, na brasagem em favo de mel e na união ativa cerâmica-metal é encontrada em sistemas industriais de brasagem a vácuo e em atmosfera controlada, incluindo aqueles presentes no projeto de Máquina Dodô.
A uniformidade da temperatura e os ciclos térmicos programáveis fazem com que a brasagem se torne um processo contínuo, não um trabalho manual, mas um processo metalúrgico que pode ser repetido e é aceitável na produção de produtos aeroespaciais de alta confiabilidade.
Conclusão: A brasagem como ciência metalúrgica aeroespacial crítica.
Se a indústria aeroespacial é o ápice da engenharia industrial, então a tecnologia de brasagem seria seu fixador de precisão em nível celular. Hoje, a brasagem moderna não é mais um mero processo de adesão; ela permite a integração de materiais por difusão, possibilitando que ligas e compósitos, antes incompatíveis com a adesão, se tornem estruturas independentes.
As aplicações aeroespaciais também transformaram a brasagem em uma ciência muito rigorosa, por meio do reparo de pás de turbinas, montagens leves em formato de colmeia, bem como montagens de cerâmica-metal, e é uma ciência em constante evolução, com materiais mais sofisticados e sistemas de fabricação de alto desempenho.
Perguntas frequentes
1. Por que a brasagem é preferida à soldagem para componentes aeroespaciais?
A brasagem é preferida neste caso porque muitos dos materiais utilizados na indústria aeroespacial, como as superligas de níquel e os compósitos de matriz cerâmica, têm baixa ductilidade ou não possuem propriedades térmicas adequadas para a realização de soldagem por fusão.
2. Por que as folhas amorfas são consideradas uma escolha ideal para núcleos de favo de mel na indústria aeroespacial?
As lâminas amorfas permitem o controle preciso da espessura, taxas de fusão uniformes e taxas de difusão conhecidas. Isso ajuda a evitar a deposição excessiva de materiais de enchimento, previne a degradação da parede do favo de mel devido à erosão e mantém a resistência uniforme das juntas.
3. Qual é o processo de união de compósitos de matriz cerâmica com metal?
Os CMCs são unidos a metais por brasagem ativa, que envolve o uso de elementos reativos como o titânio na brasagem de metais. Esses elementos apresentam alta reatividade com materiais cerâmicos, formando compostos interfaciais que permitem a união metalúrgica de metais com CMCs, algo que não seria possível por meio de processos de soldagem.
