Aplicações das ligas de magnésio na indústria aeroespacial

A Revolução da Redução de Peso: das Montanhas para Satélites de Classe Gram aos Casos de Mísseis de Classe Tonelada

I. Porquê magnésio?

Com uma densidade de 1,74 g/cm3, apenas um quarto da do aço e dois terços da do alumínio, o magnésio tem uma resistência específica mais de 30% superior à das ligas de alumínio.Propriedades superiores de amortecimento das vibrações em comparação com as ligas de titânioQuando os fabricantes de aeronaves medem os custos em gramas, as ligas de magnésio tornam-se a escolha natural:A redução do peso de um caça em 15% pode reduzir a sua distância de descolagem em 15% e aumentar o seu alcance em 20%Por cada 1 kg de peso poupado na estrutura de um satélite, o veículo de lançamento pode transportar 50 kg menos de propelente e as estruturas de apoio no solo podem poupar 100 kg adicionais.

II. História de aplicação: uma estrada rochosa, mas decolagem

Em 1920, as ligas de magnésio foram usadas nas estruturas dos Zeppelins alemães; durante a Guerra Fria, os EUA e a União Soviética usaram extensivamente ligas de magnésio em bombardeiros e cartuchos de mísseis,Mas a sua curta vida útil e problemas de corrosão foram ofuscados pelas exigências de guerraNos anos 70 e 80, as ligas de alumínio ganharam destaque, causando um declínio acentuado na utilização de ligas de magnésio.A procura de redução de peso dos automóveis levou a avanços tecnológicos, oxidação por micro-arco e revestimento químico amadureceram sucessivamente, levando a indústria aeroespacial a voltar a concentrar a sua atenção nas ligas de magnésio, introduzindo uma segunda primavera".

III. A presença de magnésio nos céus de hoje

1Aeronaves de asa fixa

• O C919 utiliza uma liga de magnésio ZK60 para os bancos, reduzindo o peso em 18 kg por aeronave e economizando 35 000 litros de combustível por ano;
• O Boeing 787 usa extensivamente a liga de terras raras de magnésio Elektron®43 para vigas transversais de cabine e suporte de equipamentos eletrônicos, substituindo partes de liga de titânio e reduzindo o peso em 25%.

2Helicópteros

O helicóptero de nova geração "King of the Plateaus" utiliza uma estrutura de carga primária de Mg-Gd-Y-Zn-Zr liga de magnésio de terras raras,reduzindo o peso em 18% em comparação com a liga de alumínio original e aumentando o teto de cruzeiro em 300 m.

3Mísseis e Drones

• O míssil alemão Taurus KEPD-350 usa 100 kg de liga de magnésio (GW83, ZK61) em todo o míssil para estruturas de reforço e superfícies de controle,com uma autonomia de 350 km e um número de Mach de 0.9;
• O invólucro de um míssil leve doméstico de calibre 145 mm usa tubos extrudidos sem costura de liga de magnésio,reduzindo o peso em 30% em comparação com as carcaças de alumínio das mesmas especificações e aumentando o intervalo em 12%.

4Satélites e Naves Espaciais

• O gabinete eletrônico da missão Chang'e-3 usa painéis de liga de magnésio monolíticos, reduzindo o peso em 13 kg e integrando controle térmico, condutividade elétrica,e resistência à corrosão por oxidação por micro-arco;
• Um satélite de sensoriamento remoto lançado em 2022 incorporou suportes de liga de magnésio-lítio, componentes incorporados e espaçadores de satélite em produção em massa,Redução do peso total dos satélites em 8% e aumento direto da carga útil em 15 kg.

IV. Tecnologias-chave: assegurar um voo fiável de magnésio

1- Melhorias de liga.

As ligas de Mg-RE (terras raras) mantêm uma resistência ao arrasto de 200 MPa a 300 °C; as ligas de Mg-Li têm uma densidade reduzida para 1,5 g/cm3 e um módulo de elasticidade aumentado em 20%,com um diâmetro superior a 50 mm,.

2Proteção contra corrosão

Um revestimento composto por oxidação por micro-arco + Ni-P-grafeno eletroquímico atinge uma vida útil de pulverização de sal de 1000 h com perda de condutividade térmica < 5%,Resolver os desafios da corrosão e do controlo térmico ao longo da vida útil de 15 anos do satélite.

3Formação e união

• O moldagem semi-sólida assistida a vácuo (Thixomolding) permite a produção de conchas complexas de parede fina até 0,5 mm, com uma taxa de rendimento de primeira passagem de 95%;
• A brasagem a laser supera o desafio de juntas diferentes de magnésio e aço, triplicando a vida útil da fadiga e é usada em suportes de montagem de motores.

V. O caminho da China: de uma nação rica em recursos para uma potência aeroespacial

A China ocupa o primeiro lugar no mundo tanto em reservas de magnésio como em produção.Instituto de Investigação de Novos Materiais de Changsha da Corporação de Ciência e Indústria Aeroespacial da China, e a equipa da Universidade Jiao Tong de Xangai estabeleceram uma cadeia integrada que abrange o "projecto de liga" a "otimização do processo" o "tratamento de superfície" a "verificação a bordo":

• A utilização de ligas de magnésio em aplicações aeroespaciais deverá atingir cerca de 20 000 toneladas métricas em 2024, com planos para ultrapassar as 50 000 toneladas métricas até 2030.
• O Programa Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento atribui 300 milhões de yuans anualmente,com foco em componentes "de gargalo", tais como grandes secções de módulos de liga de magnésio de classe de 20 toneladas e tanques de combustível de foguete reutilizáveis.

VI. Perspectivas para o futuro

Veículos de lançamento reutilizáveis, aeronaves hipersônicas e mobilidade aérea urbana eVTOL impulsionarão as ligas de magnésio para novas alturas:

• A fabricação aditiva (WAAM) imprime superfícies de controlo de liga de magnésio monolítica de classe 1 metro a uma velocidade de 1,5 kg/h, conseguindo uma redução de peso de 35%.
• O projeto de ligas baseado em IA reduzirá o ciclo de desenvolvimento de novas categorias de três anos para seis meses;
• A tecnologia de reciclagem verde em circuito fechado reduz a pegada de carbono do magnésio reciclado para < 2 kg CO2/kg, alinhando-se com os objetivos de neutralidade de carbono.

Desde monturas para satélites de grama até cartuchos de mísseis de tonelada métrica, as ligas de magnésio estão provando ser o "metal mais leve"