Aleaciones de Aluminio en la Industria Aeroespacial

En el siguiente escrito voy a tratar un tema de interés ingenieril, enfocado en el área de la ingeniería de materiales. Es muy importante el uso de las Aleaciones de aluminio en la industria aeroespacial, porque son ligeras, presentan menor peso que el acero, y si reducimos considerablemente el peso de los aviones, helicópteros, cohetes, transbordadores espaciales, que conforman el grupo de transporte aéreo más importante, se mejoran sus propiedades mecánicas (Resistencia mecánica, resistencia a la deformación, dureza, resistencia a la corrosión) que es un campo de aplicación importante en el estudio de dichos materiales avanzados de uso ingenieril.

Me refiero a que son el medio de transporte aéreo más importante, porque existen otros medios de transporte aéreo, como por ejemplo los globos aerostáticos, los dirigibles, los aeróstatos, que utilizan un gas más ligero que el aire para mantenerse elevados en el aire. También son importantes porque se reducen los costos que implican las aleaciones de Titanio, al ser fabricadas usando dicho material.

Me parece interesante el estudio de la aleación de aluminio  litio Al-Li, el procesamiento mecánico químico de metales aeroespaciales, y especialmente el desarrollo de aleaciones de aluminio para aplicaciones aeroespaciales, por lo que voy a tratar los temas mencionados anteriormente en el desarrollo de este ensayo.

Para empezar voy a mencionar algunas características del aluminio en estado nativo, ya que gracias a estas propiedades se han podido realizar muchas investigaciones que contribuyen al desarrollo tecnológico de las aleaciones de aluminio. Las propiedades más sobresalientes son las siguientes: no es ferromagnético; posee muy buena conductividad térmica (un 50% o 60% respecto al Cu); presenta una excelente conductividad eléctrica, aproximadamente el doble que el Cu en peso equivalente; tiene una buena resistencia a la corrosión en la mayoría de los medios, incluyendo baños salinos y sistemas químicos de diferente agresividad; y lo más destacado es que se alea fácilmente con otros elementos.

Las propiedades de las aleaciones de aluminio, junto con su abundancia en la naturaleza, hacen a este material especialmente atractivo desde el punto de vista industrial, aunque su aplicación no se ha extendido hasta hace relativamente poco tiempo. Se están investigando nuevas tecnologías de ensamblaje para construir futuras estructuras aeroespaciales. Entre esas técnicas está la tecnología de la soldadura en el desarrollo de las aleaciones de aluminio litio. El problema es que estas nuevas aleaciones están en proceso de investigación, para poder optimizar el rendimiento y reducir los costos que implican fabricar este tipo de aleaciones [1].

Voy a mencionar algunas de las investigaciones que se están realizando a continuación:

Aleaciones de la serie 6000: estas aleaciones se diseñaron para ahorrar hasta un 3 % en peso comparada con las aleaciones de aluminio 2024-T3, con una reducción en el precio de los materiales y mejoras en las características. De todos modos presenta una desventaja: baja resistencia a la corrosión bajo ciertas condiciones de pruebas.

Aleaciones de Aluminio-Magnesio-Escandio (Al-Mg-Sc): Estas aleaciones muestran mayor resistencia mecánica comparadas con las aleaciones de Al-Mg comunes. Esto se debe a la presencia de Sc (Escandio) que inhibe la recristalización, es decir que evita hacer más pura la aleación. Las aleaciones Al-Mg-Sc tienen una resistencia mecánica similar a las aleaciones 2024-T3 y son soldables [2].

Actualmente las industrias aeroespaciales, necesitan mucho apoyo de los proveedores de materia prima. Es importante conseguir materiales que disminuyan los costos en la producción de piezas para el ensamblaje de naves, las aleaciones de aluminio son buena opción para fabricar medios de transporte aéreo. Por lo general los ensamblajes de las aeronaves están hechos con una cantidad de láminas formadas y piezas de extrusión o mecanizado, es necesario sustituir estos ensamblajes y construir un tipo de estructura más compleja llamada estructura monolítica, o estructura integral [3].

Es decir que es una estructura rígida o inflexible, presenta ventajas en cuánto a reducción de peso y ahorro en los costos de producción debido a la baja cantidad de articulaciones y componentes. La fabricación o manufactura de las estructuras integrales es rentable debido a la alta velocidad de las máquinas moledoras, que alcanzan hasta 25000 rpm, y altas velocidades de alimentación que permiten el mecanizado de aleaciones de alta resistencia de aluminio.

En la industria aeroespacial, el aluminio también se encuentra en motores de aeroplanos, estructuras, cubiertas y trenes de aterrizaje e interiores; a menudo cerca de 80% del peso del avión es de aluminio.

Gracias a la baja densidad de las aleaciones de aluminio se pueden fabricar vehículos más ligeros, lo que lleva a una serie de ventajas adicionales. Por ejemplo, la reducción de peso supone, reducir el consumo de carburantes, más que el diseño aerodinámico. Otra característica importante es que el aluminio es un material altamente reciclable [4].

Hablando de la amplia tolerancia al daño de las láminas recubiertas, los fabricantes o manufactureros de los fuselajes (estructuras de aeronaves, o cuerpo del avión donde van los pasajeros y mercancías) están exigiendo láminas más largas realizadas en base a aleaciones de aluminio 2024 para usarlos como materiales para el recubrimiento de las estructuras aeronáuticas.

Las láminas largas ofrecen un ahorro significativo en los costos de manufactura, porque reducen el número de articulaciones en la estructura aérea.

Es importante destacar las aplicaciones que ofrecen las láminas de aluminio. Son útiles para varios diseños de aviones, como los modelos Boeing 777 y 737 respectivamente. Un ejemplo adicional es la superficie del transporte militar Boeing C17, que se transformó a partir de extrusiones remachadas y se ensamblaron en las láminas maquinadas. Una gran ventaja que presenta este tipo de láminas es que se encuentran completamente libres de distorsiones y no requieren trabajo mecánico adicional, por ejemplo operaciones de endurecimiento por deformación, o moldeo de las piezas de aluminio. La transformación a una estructura maquinada genera una reducción valiosa del número de piezas para ensamblaje, y un ahorro relevante para la compañía de aeronaves.

Creo que es también representativo analizar la química de las aleaciones de aluminio, para examinar algunos efectos en las propiedades mecánicas, en este caso la tenacidad y resistencia mecánica. En el artículo se tomó una serie de pequeños lingotes de 10 kilogramos aproximadamente, éstos fueron producidos y procesados en láminas de 2 milímetros de espesor. Las pruebas dieron como resultados dos medidas de dureza: la propagación de la energía final UPE (Ultimate Propagation Energy) con sus siglas en inglés, y la proporción de la resistencia a la fractura TS (Tear Strength).

Los resultados muestran que las pruebas en la sección transversal generan menor resistencia mecánica, y generalmente buena tenacidad. El concepto de tenacidad es importante tenerlo claro porque veces se suele confundir con la dureza. La tenacidad es la resistencia a la propagación de grietas. Luego hacen una comparación con aleaciones de aluminio que contienen cobre, magnesio y manganeso respectivamente. Muestran que al reducir el contenido de cobre en la aleación, se reduce la resistencia mecánica e incrementan los indicadores de tenacidad; el bajo contenido de manganeso proporciona un indicador de tenacidad mayor al de la aleación con cobre. Al incrementar el contenido de magnesio en la aleación también se mejora la tenacidad.

La tabla de los resultados obtenidos se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1. La química en aleaciones y sus propiedades mecánicas de muestras de 2 mm de espesor en aleaciones de aluminio 2024-T3.

A continuación voy a hablar sobre la aleación de aluminio litio Al-Li que también es  importante en las aplicaciones de la industria aeroespacial. Como breve historia sobre las aleaciones Al-Li, éstas se empezaron a desarrollar en Alemania en la década de los 20, con la adición de pequeñas cantidades de Litio con el objetivo de aumentar la resistencia mecánica de las mismas con contenidos de Cu, Ni, y Zn. Estas aleaciones se conocieron con el nombre de Scleron. Por aquellos años, se estudiaron también aleaciones con contenidos de Li de hasta un 2%. Sin embargo, cómo en esos momentos estaban en auge las aleaciones denominadas Duraluminios, AI-Cu-Mg, las aleaciones con litio quedaron relegadas. Tres décadas más tarde, en EEUU, se volvieron a descubrir las ventajas del Litio como aleante del aluminio y los científicos de Alcoa desarrollaron la aleación 2020 AI-Cu-Li de alta resistencia con un contenido de Li de 1.3%. Esta nueva aleación resultaba al principio comparable a la 7075 AI-Zn-Mg-Cu de amplia utilización en la aeronáutica [5].

Las características de las aleaciones Al-Li es que presentan baja densidad y elevado módulo de elasticidad. Este tipo de aleación es muy importante también para la fabricación de fuselajes de aviones porque se pueden diseñar: revestimiento de las alas, rieles de los asientos, cubiertas de acceso.

El Litio es importante como elemento aleante con el aluminio debido a que es un elemento metálico bastante ligero, además si se somete la aleación a tratamiento térmico se pueden formar precipitados esféricos, resultado de un proceso de endurecimiento por precipitación o envejecimiento, que incrementa la resistencia mecánica de la aleación. Las aleaciones de aluminio litio presentan desventajas al trabajar a altas temperaturas (mayores a 260 ° C) porque se produce una oxidación superficial generando óxido e hidróxido de litio. La formación de estos compuestos es motivo de especial preocupación ya que, a efectos prácticos, afectan la soldadura y la mecanización posterior [6]. En el artículo que leí de la página web “inTEC MOLDES Y MATRICES innovaciones tecnológicas” se encuentra la aplicación de varias aleaciones de aluminio litio con sus respectivas propiedades mecánicas. Voy a mencionar algunas de las aleaciones que me parecieron más interesantes con una breve descripción de cada una de ellas:

Weldalite 049: Posee buena resistencia mecánica y tenacidad, es de baja densidad (2,7 g/cm³), presenta buena soldabilidad, y se utilizó para la construcción de tanques de combustible para propulsores espaciales.

Aleación 2090: Presenta alta resistencia, cuenta con excelente soldabilidad, buena tenacidad, funciona óptimamente al trabajarse en frío.

Aleación 2091: Tiene alta resistencia al desgaste, se utiliza en la mayoría de las estructuras de aviones gracias a que puede tolerar grandes esfuerzos. Las propiedades de la aleación son estables a elevadas temperaturas de exposición (aproximadamente 125 °C)

Aleación 8090: Es útil para aplicaciones de soldadura. En trabajo en frío se obtienen buenos resultados. Las láminas presentan una microestructura recristalizada que posee alta tenacidad y buena resistencia al desgaste.

Aleación 2050: Presenta baja densidad y alta resistencia a la corrosión. La aleación 2050-T84 ha sido aprobada por Airbus para sus modelos A380-800 y A380- 800F para las estructuras inferiores de componentes de sus alas.

CONCLUSIONES

Los nuevos productos laminados de alta resistencia de la industria aeroespacial para investigación y desarrollo Hoogovens, permiten a los fabricantes de las aeronaves los requisitos para mejorar la resistencia a la fatiga, la alta tolerancia al daño, y el maquinado virtual libre de distorsión, para láminas gruesas de hasta 280 mm de espesor.

Al escribir este ensayo adquirí nuevos conocimientos sobre la tecnología de los materiales, en este caso las aleaciones de aluminio, creo que hablé en general de diversas aplicaciones en la industria aeronáutica y en las referencias se encuentra como dije anteriormente buena información para ampliar los conocimientos sobre los mismos.

BIBLIOGRAFÍA

[1] K.H. Rendigs, Mat. Sci. Forum, vol. 242, 1997, p. 11.

[2] V.G. Davydoff, Mat. Sci. Forum 217–222 (1996) 1841.

[3] A. Heinz, Proc. 4th Int. Conf. Aluminium Alloys, Atlanta 1994, vol 1, 1999, p. 733.

[4] WATER TREATMENT SOLUTIONS LENNTECH, Aluminio, http://www.lenntech.es/periodica/elementos/al.htm, Consultado el 20 de enero de 2016.

[5] ESTUDIO ELECTROQUÍMICO DEL PROCESO DE CORROSIÓN DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO-LITIO DE INTERÉS AEROESPACIAL, http://eprints.ucm.es/1962/1/T21210.pdf, Consultado el 01 de febrero de 2016.

[6] Las aleaciones de Aluminio- Litio, http://www.moldesymatrices.com/materiales_Aluminio-Litio.htm, Consultado el 07 de marzo de 2016.