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ELTRA Análise elementar na indústria aeronáutica

A indústria aeroespacial é um setor crucial que se concentra no design, fabricação e operação de aeronaves e espaçonaves. Ela desempenha um papel fundamental no transporte global, permitindo viagens rápidas e comércio ao redor do mundo. Na defesa, fornece ferramentas essenciais, como aeronaves avançadas e mísseis para uso militar. A indústria aeroespacial também lidera esforços de exploração espacial, auxiliando nas comunicações via satélite e descobertas científicas. Para atender aos altos padrões de desempenho, segurança e confiabilidade, a indústria aeroespacial depende da tecnologia de ponta e da inovação constante. Os materiais utilizados devem ser resistentes ao desgaste e robustos contra diferentes condições climáticas. Além disso, a capacidade de carga mecânica de todo o avião deve ser suficientemente alta para suportar um grande número de procedimentos de decolagem e pouso. Além dos aspectos de segurança, fatores econômicos também são importantes. O consumo de combustível, por exemplo, deve ser o mais baixo possível e, em geral, os custos de aquisição devem ser acessíveis.

Materiais relevantes para aplicações aeroespaciais

A indústria aeroespacial utiliza uma variedade de materiais avançados. Cada um deles é selecionado com base em sua capacidade de atender a critérios específicos de desempenho, incluindo resistência, peso, resistência a temperaturas e durabilidade.

Ligas de Titânio:

Conhecido por sua alta resistência, baixo peso e resistência à corrosão e altas temperaturas. O titânio é comumente utilizado em motores a jato, trens de pouso e componentes estruturais críticos onde alto desempenho é necessário.

Ligas de Alumínio

Amplamente utilizado devido sua excelente relação entre resistência e peso, resistência a corrosão, e acessibilidade. As ligas de alumínio são usadas principalmente em estruturas de aeronaves, incluindo componentes da fuselagem e das asas.

Ligas de aço:

O aço de alta resistência é utilizado em componentes que requerem durabilidade e robustez, como trens de pouso, fixadores e certas partes estruturais. O aço inoxidável também é usado por sua resistência à corrosão.

Ligas de magnésio:

Utilizadas em aplicações onde a redução de peso é crucial, embora sejam menos comuns devido a desafios com corrosão e inflamabilidade.

Superligas:

Tipicamente à base de níquel ou cobalto, esses materiais são usados em componentes de motores que devem suportar temperaturas extremas e tensões.

Compósitos:

Polímeros reforçados com fibra de carbono (CFRPs) estão sendo cada vez mais utilizados por suas propriedades de leveza e alta resistência. Esses compósitos são usados em várias partes de aeronaves, como asas, fuselagens e componentes internos, para melhorar a eficiência de combustível e reduzir o peso.

Cerâmica e Vidro:

Utilizado em sistemas de proteção térmica, como os encontrados espaçonaves como em janelas e outros componentes que requerem transparência e resistência a choques térmicos.

Polímeros e Plásticos:

Empregados em componentes internos, isolamento e fiação devido às suas propriedades leves e versáteis

Para dar um exemplo, os seguintes materiais são usados na construção de um avião Boeing 787:

Material Used in % by weight
Composites 50
Aluminium 20
Titanium 15
Steel 10
Other 5

Titânio e suas ligas na indústria aeroespacial

O titânio é o décimo elemento mais frequente na Terra. Graças às suas propriedades mecânicas excepcionais, o titânio e suas ligas são particularmente bem-sucedidos para aplicações aeroespaciais. Primeiro, a densidade é 60% menor em comparação ao aço, o que torna o titânio um material leve. O baixo peso leva a um consumo reduzido de combustível. Segundo, a boa resistência ao calor e à corrosão garante uma longa vida útil e segurança do motor. Terceiro, a baixa fragilidade e baixa expansão térmica permitem combinar o titânio e suas ligas com CFRP (Plásticos Reforçados com Fibra de Carbono). O titânio e suas ligas são principalmente usados em partes tecnicamente críticas de um avião, como fuselagens ou motores.[1],[2] Apesar de todas essas vantagens, é necessário considerar que os gases oxigênio, nitrogênio e hidrogênio podem afetar negativamente as propriedades mecânicas do titânio. Um risco adicional é a alta afinidade do titânio líquido a esses gases durante o processo de preparação. Com o aumento da concentração de oxigênio, o material torna-se mais duro e mais suscetível a rachaduras [3]. Uma concentração adicional de hidrogênio pode impactar ainda mais a qualidade do produto devido à fragilização por hidrogênio [4]. Com o aumento do conteúdo de hidrogênio, o titânio primeiro perde sua ductilidade, o que pode ser seguido pelo descascamento da superfície do titânio. Dada a influência significativa das concentrações de oxigênio, nitrogênio e hidrogênio nas propriedades dos materiais de titânio e suas ligas, a medição precisa desses elementos é crucial para o controle de qualidade em produtos à base de titânio.

A ELTRA está entre os principais fabricantes mundiais de analisadores elementares.

Devido aos desafios da indústria aeroespacial de operar em ambientes extremos, seja em grandes altitudes ou no vácuo espacial, são necessários procedimentos rigorosos de teste e certificação para garantir que todos os componentes e sistemas funcionem perfeitamente. A análise elementar é crucial para verificar se os materiais utilizados na construção possuem as propriedades exigidas. A ELTRA é uma fabricante líder com mais de 40 anos de experiência na produção de analisadores elementares de alta precisão. A gama de produtos inclui instrumentos para medir o conteúdo de carbono, enxofre, nitrogênio, oxigênio e hidrogênio em vários tipos de materiais. Além disso, a ELTRA é conhecida por seus analisadores termogravimétricos, que são usados para avaliar a perda de peso durante processos específicos de temperatura ou aquecimento. Esses analisadores são ferramentas essenciais em indústrias que exigem análise precisa da composição de materiais, como aeroespacial, metalurgia, cimento, mineração, produção de baterias e muitas outras áreas.

Análise de O/N/H em matérias-primas para componentes de aeronaves

Uma parte importante da análise química dos materiais utilizados na indústria aeroespacial é sempre a medição dos gases oxigênio (O), nitrogênio (N) e hidrogênio (H), que têm uma influência significativa nas propriedades do material. O analisador O/N/H ELEMENTRAC ONH-p2 da ELTRA utiliza fusão em gás inerte para medir os gases solicitados em uma ampla faixa de concentração, desde níveis baixos em ppm até 2%. O forno de eletrodo, também chamado de forno de impulso, do ONH-p2 funde a amostra de titânio (por exemplo) em temperaturas de até 3000 °C e mede o hidrogênio e o nitrogênio liberados em sua forma elementar e o oxigênio como dióxido de carbono. O dióxido de carbono é formado pela reação do oxigênio da amostra de titânio com o carbono de um cadinho de grafite. Para garantir uma medição confiável de O/N/H, fluxos como níquel ou estanho são adicionados à amostra. Esses fluxos reduzem o ponto de fusão e asseguram uma liberação completa dos gases incorporados e uma boa repetibilidade das medições de O/N/H. O ELEMENTRAC ONH-p2 está em conformidade com todas as normas internacionais e é fácil de usar tanto para pessoal acadêmico quanto não acadêmico. O ELEMENTRAC ONH-p2 processa amostras de qualquer forma sólida, como pó, granulado, fios ou pequenas placas. Os pesos típicos das amostras são de aproximadamente 100 mg. A quantidade de amostra pode ser aumentada até 1000 mg para amostras à base de aço e ferro, para as quais não são necessários fluxos.

Analisador de oxigênio / nitrogênio / hidrogênio ELEMENTRAC ONH-p 2
Analisador de oxigênio / nitrogênio / hidrogênio ELEMENTRAC ONH-p 2

Resultados típicos de medição do ONH-p2

Concentrações de O/N/H em amostras de titânio

Weight (mg) Hydrogen (ppm) Weight (mg) Oxygen (ppm) Nitrogen (ppm)
101.610.2119.41150.695.8
10111.1115.71114.386.5
100.810.1117.81159.5104.7
101.89.9123.11149.798.9
1029.3116.41205.197.7
100.512116.41206.7105.1
102.111.3112.41183.0101.5
104.79.5118.51180.6106.0
103.710.9116.31120.393.8
103.910.5118.01171.1107.4
Average Value 10.480 - 1171,1 100.4
Deviation / Relative Deviation (%) 0.847 / 8.08% - 37.9/3.2% 6.6/6.6%

Devido ao grande impacto que o conteúdo de oxigênio, nitrogênio e hidrogênio de uma matéria-prima tem em partes relevantes para a segurança de uma aeronave, a medição confiável das concentrações de elementos é indispensável. O analisador de combustão ELEMENTRAC ONH-p2 da ELTRA, com seu potente forno de eletrodo e detectores de ampla faixa, é perfeitamente adequado para medir esses gases em baixas, médias e altas concentrações em amostras de aço, alumínio e titânio.

Analisador de Carbono / Enxofre CS-i

Como os elementos carbono e enxofre influenciam essencialmente a dureza e a possibilidade de usinagem de materiais como aço e titânio, é essencial na engenharia aeronáutica determinar com precisão a concentração desses elementos.

O forno de indução do analisador de carbono e enxofre CS-i incinera uma amostra inorgânica a mais de 2.000°C em corrente de oxigênio enquanto células medidoras por infravermelho de alta precisão asseguram a determinação segura de carbono e enxofre.

Analisador de carbono / enxofre ELEMENTRAC CS‑I
Analisador de carbono / enxofre ELEMENTRAC CS‑I

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  • [1] Denis Bergoint em lightweightdesign 06/2013: (Técnicas de Produção e Fabricação)
  • [2] Ikuhiro Inagaki, Relatório Técnico da Nippon Steel & Sumitomo Metal Nº 106; Julho de 2014
  • [3] https://news.berkeley.edu/2015/02/05/oxygen-titanium/
  • [4] https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_embrittlement