Usinagem de superligas resistentes ao calor na indústria aeroespacial

As HRSAs são materiais dominantes em peças de compressores de motores a jato e turbinas. As principais classes usadas para essas aplicações são os tipos baseados em níquel, como Inconel, Waspaloy e Udimet. As propriedades das HRSAs variam muito, dependendo da composição e do processo de produção. O tratamento térmico, em especial, tem um grande significado - um tratamento de endurecimento por precipitação, isto é, "envelhecido", a peça pode apresentar o dobro da dureza de uma peça recozida ou não tratada.

Regulamentos de emissões mais rigorosos exigem temperaturas de serviço mais altas dos novos tipos de motores e novos materiais para as peças que esquentam mais. Em resposta a esses desafios, a quantidade total de HRSA em um motor a jato está aumentando em comparação a outros materiais.

Entretanto, os benefícios das HRSAs são compensados pelos desafios da manufatura. Em primeiro lugar, a resistência a altas temperaturas leva a altas forças de corte. Em segundo lugar, a baixa condutividade térmica e a excelente temperabilidade resultam em altas temperaturas de corte. E, em terceiro lugar, as tendências de endurecimento dão origem ao desgaste por entalhes.

As peças

Discos de turbina, carcaças, rotores e eixos são peças de trabalho exigentes. Muitas delas possuem paredes finas e todas possuem formas complexas. Peças críticas para a segurança do motor devem obedecer a rigorosos critérios de qualidade e precisão dimensional. As pré-condições para o sucesso incluem uma máquina potente, ferramentas rígidas, pastilhas de alto desempenho e programação otimizada.

Os métodos de usinagem predominantes variam. Geralmente, os discos, os anéis e os eixos são torneados e as carcaças e os rotores frequentemente são fresados. Mais informações sobre esses métodos estão disponíveis no recurso on-line da Sandvik Coromant dedicado ao conhecimento de aplicações de motores aeronáuticos, aeroknowledge.com.

A usinagem de HRSAs geralmente é dividida em três estágios. Durante a usinagem do primeiro estágio (FSM), a peça bruta fundida ou forjada recebe sua forma básica. A peça geralmente apresenta condição lisa (dureza típica em torno de 25 HRC), mas muitas vezes tem uma superfície rugosa, irregular ou escamas. A principal prioridade é a boa produtividade e a remoção eficiente de sobremetal.

Entre o primeiro estágio e o estágio intermediário de usinagem (ISM), a peça é tratada termicamente para a condição muito mais dura de envelhecimento — normalmente em torno de 36 a 46 HRC. A peça agora recebe sua forma final, exceto que a tolerância do sobremetal é deixada para o acabamento. O foco está novamente na produtividade, mas a segurança do processo também é importante.

Pastilhas de metal duro de qualidade

A forma final e o acabamento superficial são criados durante a última etapa de usinagem (LSM). A ênfase aqui é na qualidade da superfície, tolerâncias dimensionais precisas e evitar deformações e excesso de tensões residuais. Em peças rotativas críticas, as propriedades de fadiga são o critério mais importante e não deixam espaço para defeitos superficiais que possam iniciar a formação de trincas. A confiabilidade das peças críticas é garantida aplicando-se um processo de usinagem comprovado e certificado.

Os requisitos gerais para pastilhas intercambiáveis incluem boa tenacidade da aresta e alta aderência entre o substrato e o revestimento. Enquanto formas básicas negativas são usadas para alta resistência e economia, a geometria deve ser positiva.

Deve ser sempre usada refrigeração na usinagem de HRSAs, exceto no fresamento com pastilhas cerâmicas. As pastilhas de cerâmica requerem um volume abundante e a precisão do fluxo é essencial para o metal duro cementado. Ao usar pastilhas de metal duro, uma alta pressão de refrigeração produz mais benefícios, incluindo maior vida útil da ferramenta e controle eficiente de cavacos.

Os parâmetros de usinagem variam, dependendo das condições e do material. Durante a FSM, a boa produtividade é obtida principalmente através do uso de altas taxas de avanço e grandes profundidades de corte. No ISM, as pastilhas de cerâmica são frequentemente usadas para velocidades mais altas. As etapas finais se concentram na qualidade e a profundidade de corte é pequena. Uma vez que uma alta velocidade de corte pode prejudicar a qualidade da superfície, as pastilhas de metal duro são aplicadas para acabamento.

Aresta viva

A deformação plástica e os entalhes são os mecanismos de desgaste típicos das pastilhas de metal duro, enquanto o desgaste do corte superior é comum nas pastilhas cerâmicas. A suscetibilidade à deformação plástica diminui ao aumentar a resistência ao desgaste e a dureza a quente. Uma geometria positiva e uma aresta afiada também são importantes para reduzir a geração de calor e as forças de corte. As soluções para o desgaste por entalhe na aresta de corte principal incluem um pequeno ângulo de entrada, por exemplo, usando uma pastilha quadrada ou redonda ou uma profundidade de corte inferior ao raio da ponta.

As pastilhas revestidas com deposição física de vapor (PVD) são mais resistentes a entalhes na aresta principal, enquanto as pastilhas revestidas com deposição de vapor químico (CVD) têm maior resistência ao desgaste por entalhe na aresta posterior. No acabamento, o desgaste por entalhe na aresta posterior pode danificar o acabamento superficial.

A usinagem eficiente das peças de HRSA do motor requer uma solução geral bem equilibrada, especialmente levando-se em conta fatores como a condição da peça, o material da ferramenta e as recomendações dos parâmetros de corte correspondentes, o uso de refrigeração e estratégias de usinagem otimizadas. Com o uso desses fatores, os fabricantes podem fazer sua parte para ajudar o objetivo do setor aeroespacial de alcançar emissões líquidas zero de gases de efeito estufa até 2050.