DESAFIO DO CLIENTE
O desenvolvimento de materiais de alta temperatura - aqueles que podem funcionar em temperaturas extremas por períodos prolongados - está preparando o terreno para a próxima geração de motores a jato e turbinas a gás que redefinirão as expectativas de eficiência de combustível. Algumas das pesquisas mais avançadas neste campo acontecem no Laboratório de Desempenho de Estruturas e Materiais, parte do Conselho Nacional de Pesquisa do Instituto Canadense de Pesquisa Aeroespacial, localizado em Ottawa, Ontário.
Aqui, o Materials and Component Technologies Group, uma equipe de 15 cientistas pesquisadores, é especializado em projetar, desenvolver e testar novos materiais de turbinas a gás, incluindo ligas de alta temperatura e compósitos de matriz cerâmica. O grupo realiza pesquisas internas e também colabora com fabricantes de motores comerciais como Pratt & Whitney, Rolls-Royce e General Electric, e fornecedores de materiais como ATI Allvac e Carpenter Technologies. Para determinar exatamente o desempenho dos novos materiais - e quanto tempo eles durarão - quando expostos a temperaturas cada vez mais altas, eles devem realizar uma grande variedade de testes mecânicos de precisão.
"Fazemos desde testes de tração, fluência e resistência à fratura até testes mais especializados, como fadiga por atrito, fadiga termomecânica, crescimento da fissura por fadiga e taxa de crescimento da fissura por fluência", explica o Dr. Kearsey, gerente da Instalação de Mecânica de Fadiga e Fratura de Alta Temperatura do grupo. "Estamos desenvolvendo os materiais, testando-os e depois desenvolvendo métodos de teste padrão para caracterizar esses materiais, o que inclui descobrir a geometria da amostra, bem como duplicar o ambiente de serviço do motor no laboratório"
Neste momento, o maior desafio do Dr. Kearsey é simples: calor. Nas décadas anteriores, as temperaturas para testes de aço inoxidável, titânio e ligas de alumínio eram relativamente moderadas. Os testes dos materiais mais avançados de hoje exigem temperaturas até 25% mais quentes.
"As temperaturas são tão altas que testar os materiais se torna um problema mais complexo", disse ele. "Como você mede materiais a 1000°C quando a prática padrão se baseia em equipamentos classificados para 800°C? Como você acrescenta instrumentos adequados para medir a taxa de crescimento da fenda? Não é impossível, mas é muito complicado. Temos que ter certeza absoluta de que as temperaturas e cargas são 100% rastreáveis, porque nossos resultados estão sendo usados para fazer componentes críticos do motor"
SOLUÇÃO DA MTS
O Materials and Component Technologies Group implementa 18 diferentes soluções MTS para testes em alta temperatura, uma linha que inclui tudo, desde estruturas de carga MTS 810 legadas até o mais moderno marco da MTS® Sistemas de Teste Servo-hidráulico.
"A razão pela qual só usamos estruturas de carga MTS é a estabilidade", disse o Dr. Kearsey. "Quando temos quatro ou cinco quadros correndo lado a lado, o laboratório treme. As estruturas MTS são tão estáveis; não há giro ou torção que possa desalinhar o corpo de prova"
Completando o equipamento de teste da instalação estão duas unidades de potência hidráulica MTS, FlexTest® controles digitais e software Multipurpose TestWare®. O laboratório também emprega um complemento completo de acessórios de teste MTS, incluindo garras e acessórios, extensômetros e strain gages, fornos e unidades de aquecimento por indução - que devem ser fáceis de combinar e integrar nas configurações frequentemente complexas necessárias para testes específicos de alta temperatura.
"O hardware precisa funcionar corretamente em diferentes temperaturas e condições de teste", disse o Dr. Kearsey. "Gostamos de poder pegar um forno MTS e colá-lo em qualquer estrutura de carga. A intercambialidade é importante, especialmente para a repetibilidade. Quando temos que fazer 100 testes em uma geometria semelhante, não queremos gastar tempo refazendo a calibração para cada um deles"
BENEFÍCIOS PARA O CLIENTE
Para o Dr. Kearsey, nada é mais importante do que a confiabilidade do hardware e software de teste. A confiabilidade é essencial para a precisão dos resultados, a produtividade do laboratório e a satisfação dos clientes externos.
"Compramos equipamentos MTS porque ele quase nunca falha", elogia. "Não tem que ser substituído. É confiável e é rastreável. Sendo um laboratório de pesquisa, a rastreabilidade é um requisito fundamental. Se fizermos um alinhamento em um sistema, temos que ter certeza de que é exatamente isso que acontece no próximo teste. Não importa se estamos testando uma liga avançada de cristal único ou avaliando ligas de 50 anos de idade para modelagem de predição de vida. Com os sistemas de teste MTS, podemos gerar os dados necessários para a tomada de decisões confiantes"
A confiabilidade dos extensômetros é particularmente crítica em testes de materiais em alta temperatura, especialmente em frequências de até 10 Hz ou com materiais mais rígidos, onde as reflexões medidas são menores. O Dr. Kearsey também cita a confiabilidade do software como um fator significativo.
"Quando você está fazendo testes de fadiga termomecânicos, por exemplo, os testes podem durar três meses", explica ele. "É muito caro para nossos clientes. Você nunca quer dizer a eles que o software falhou durante o teste e que seus resultados são inválidos. O software MTS é crítico a este respeito porque não nos dá essa dor de cabeça. É muito confiável e muitos dos módulos são pré-programados para fadiga de baixo ciclo, fadiga termomecânica e outros tipos de testes"
Mesmo agora, como o Dr. Kearsey trabalha para superar os desafios associados aos testes a 1000°C, ele espera que o limite superior aumente. Na verdade, ele está trabalhando com a MTS para projetar sistemas de teste que podem funcionar a estas temperaturas muito mais quentes.
"Como as ligas mais novas são substituídas por compósitos de matriz cerâmica, precisaremos fazer testes até 1300°C ou 1400°C", disse ele. "Já estamos conversando com a MTS saber como fazer isso acontecer". De qual tamanho de forno vamos precisar? Qual será a zona quente? De que extensometria vamos precisar? A MTS parece sempre vir até nós no momento certo. Esse tipo de apoio é a razão de continuarmos com a MTS"
