Para conseguir economias de combustível significativas em viagens aéreas, as aeronaves do futuro estão sendo projetadas cada vez mais leves. Isso é particularmente verdadeiro para a complexa tecnologia de turbina den­tro da nacela, que é uma carga pesada sob as asas da aeronave. O mais alto grau de especialização é necessário para fabricar componentes de tecnologia de acionamento a partir de materiais mais leves. Um projeto de economia de peso deve, no entanto, manter a mesma con­fiabilidade operacional de antes.

Tal é a situação na Leistritz Turbinentechnik, uma unidade de negócios do Grupo Leistritz, de Nuremberg, na Alemanha, que ofere­ce esse tipo de experiência. Na sua fábrica em Remscheid, a empresa fabrica pás de turbinas 50% mais leves em titânio Alumineto para a última geração de motores de aeronaves. Para isso, a empresa instalou uma prensa isotérmica de forjamento Siempelkamp 8-MN em março de 2016. Duas prensas idênticas começarão a operar em breve.

Lâminas de Rotor de Motor a Jato

A decisão de Leistritz de usar essas prensas não foi uma questão de sorte. O fabricante de turbinas tem operado uma prensa isotérmica de 50 MN da Siempelkamp desde 1984 para produzir componentes que devem atender aos mais rígidos padrões da ICAO (International Civil Aviation Organization). Como peças de componentes feitas a partir de novas ligas exigem métodos de produção novos e extrema­mente precisos, chegou a hora de investir em novas tecnologias de produção.

O fator limitante no desenvolvimento de motores a jato inovado­res, mais econômicos e mais silenciosos para o tráfego aéreo civil são as pás do rotor que acionam a turbina. Devido ao ar extremamente quente e comprimido que envolve essas lâminas, os componentes estão sujeitos a altas tensões térmicas. Às tensões térmicas devem ser adicionadas as tensões resultantes de forças centrífugas extremas cau­sadas pela rotação de alta velocidade de motores turbofan modernos. Depois de um tempo, esta carga operacional combinada nas pás do rotor resulta em um fluxo de material que está se movendo radial­ mente para fora em direção ao alojamento da turbina.

O resultado físico dessas tensões é que as pás do rotor se tor­nam mais longas à medida que sua vida operacional aumenta. Na pior das hipóteses, eles podem tocar o compartimento da turbina e causar a falha total do motor. As pás de rotor convencionais ainda são feitas de ligas à base de níquel de alta liga - um material com alta estabilidade térmica devido à alta resistência do cristal misto interno e ao fortalecimento relacionado dos limites de grão dentro da estru­tura do material.

O poder de propulsão exigido dos motores aumentou conti­nuamente de 4.500 N para mais de 40.000 N desde que a indústria aeronáutica começou a usá-los há mais de 75 anos. Consequente­mente, qualquer desenvolvimento adicional na busca de motores de aeronaves mais econômicos e silenciosos requer redução de peso con­comitante. O objetivo, em poucas palavras, é aumentar a eficiência e economia de combustível, reduzir as emissões de ruído e maximizar a segurança operacional.

Material do Futuro: Alumineto de Titânio

Alumineto de titânio gama forjado (γ-TiAl) é considerado o material do amanhã para as pás do rotor em motores a jato. Este material já é usado como uma liga de fundição para componentes de habitação e palhetas de guia. Para sua aplicação futura nas pás do rotor, faz senti­do forjar γ-TiAl.

A vantagem deste material é que, com densidade inferior a 3,8g / cm³, as ligas de titânio-alumínio (com teor de 50% de titânio) pesam aproximadamente a metade das ligas à base de níquel. Além disso, esta classe de material oferece excelente ductilidade que neutraliza as potências centrífugas que ocorrem em altas velocidades de turbina. O uso de pás do rotor com um peso significativamente reduzido leva a forças centrífugas drasticamente reduzidas, um efeito bem-vindo.

E, no entanto, apesar de todas as propriedades do material que favorecem o uso do material em aplicações de motores a jato, o γ-TiAl também possui algumas propriedades que dificultam sua conformação. A menos que parâmetros específicos sejam meticu­losamente mantidos durante o forjamento de material, o material simplesmente não é forjável.

Um Desafio no Forjamento

Um processo de forjamento rápido, usado para forjar outros metais, não funciona neste caso. O forjamento de γ-TiAl requer um processo lento e envolve a conformação plástica com recristalização dinâmica. Somente com prensas isotérmicas de forjamento a estrutura fundi­da inter-metalúrgica - dura e quebradiça como cerâmica- pode ser transformada em uma microestrutura fina que irá suportar tensões futuras. Se o processo é realizado mais rapidamente, as rachaduras no material inevitavelmente se desenvolvem.

Prensa de Forjamento Isotérmico

É aqui que entra a tecnologia de prensas isotérmicas. Desde o início de 2014, a Leistritz Turbinentechnik e a equipe técnica da Siempe­lkamp desenvolveram o perfil de requisitos para implementar uma nova tecnologia de processo para o forjamento de γ-TiAl por meio de tecnologia de prensagem adequada. Em novembro de 2014, as duas primeiras prensas de forjamento isotérmico foram encomendadas. Com esta tecnologia de prensa, as velocidades de prensagem po­dem ser controladas enquanto um equilíbrio ideal de temperatura da peça de trabalho é mantido.

Enquanto γ-TiAl não é forjável a baixas temperaturas, apre­senta uma excelente conformabilidade em uma faixa de tempe­ratura entre 1.150 e 1.300˚C. Isto tem que receber uma atenção especial, no entanto, porque o processo de forjamento tem que ocorrer sem o efeito desfavorável deslizante.

O problema foi resolvido com um controle de eixo hidráulico livre de deslizamento em uma estrutura de prensa de peça única simetricamente construída que garante o alinhamento exato das matrizes superior e inferior com seu sistema de orientação de rosca cruzada. O processo contínuo de forjamento sem problemas é garantido por sistemas especiais de vedação e guiamento iso­lados termicamente. Um controle de processo desenvolvido pela Siempelkamp usa mapeamento de processo visual, que controla as fases individuais do processo de prensagem. Os parâmetros do processo são monitorados e documentados de forma confiável.

A prensa inteira é fechada em um invólucro, pois o proces­so de prensagem deve ocorrer dentro de uma atmosfera de gás inerte. Os ejetores automatizados garantem a remoção segura das pás do rotor. Depois disso, um sistema de limpeza integrado remove possíveis depósitos das superfícies da matriz. O sistema de produção também inclui um forno rotativo, bem como um manipulador automático de carga e descarga. A Siempelkamp desenvolveu todos os sistemas de acionamento elétrico e hidráu­lico, bem como o controle do sistema para monitoramento de todos os componentes.

Após a instalação e o start-up - com início em dezembro de 2015 e conclusão em fevereiro de 2016 - a fábrica passou no teste de aceitação após os primeiros forjamentos.

Conclusão

Com a nova prensa isotérmica de forjamento e um processo de fabricação inovador, a Leistritz Turbinentechnik é capaz de pro­duzir pás de rotor para uma nova geração de motores a jato. Com a nova prensa e processo a turbina vai usar aproximadamente 17% menos combustível durante sua operação, reduzindo os custos operacionais em 20% e reduzindo significativamente seu ruído. Para atender à crescente demanda de tais componentes no futuro, uma terceira prensa será inaugurada no próximo ano.