MARTERIALES AERONÁUTICOSCURSO 2015

MATERIALES UTILIZADOS EN ESTRUCTURAS Y COMPONENTES AERONÁUTICOS

¿POR QUÉ A CIERTOS MATERIALES LOS DENOMINAMOS MATERIALES AERONÁUTICOS?

Concepto: obtener un producto aeronáutico (aeronave, motor y hélices) de alta confiabilidad

Requerimientos estructurales de acuerdo a la categoría de la aeronave

Para cumplir con los requerimientos estructurales y tener confiabilidad se deben certificar los materiales, es decir, debe lograrse calidad y trazabilidad del producto.

¿Cómo se logra esta calidad en los materiales? Cumpliendo con normas Nacional e Internacional aceptadas por las autoridades aeronáuticas.

Normas: MIL (Military Standard), ASTM (American Society for Testing and Material), NAS (National Aeronautics Standard), AN (Airforce and Navy aeronautical Standard), etc

Requerimiento Aplicable

Estructura

Sistema de potencia

Instrumentos y aviónica

Sistemas de control

Materiales (normalizados)

Métodos y elementos de fijación

(normalizados)

e fijación

Cálculo estructural de acuerdo al

requerimiento, cumplimiento

MATERIALES Dos grandes grupos: Metálicos y No metálicos

Metálicos: Aceros (aleaciones base hierro-carbono), Aceros aleados, Aleaciones no ferrosas (aleaciones de aluminio, de titanio, de magnesio).

No Metálicos: Plásticos (termorrígidos, termoplásticos, etc), Materiales compuestos (clásicamente refuerzos embebidos en una resina termorrígida), Maderas.

Metálicos

Aceros

Hierro aleado con el carbono (%C no mayor a 2), y, eventualmente, con otros metales. Con el aumento del % de Carbono se tienen:

Ventajas: aumento de la resistencia mecánica (tracción, torsión,

compresión, dureza) Desventajas: disminuye la ductilidad, la resistencia a la corrosión y

las cualidades para ser soldado.

Clasificación de los Aceros

AISI (American Iron and Steel Institute) ó SAE (Society of Automotive Engineer). Son clasificaciones equivalentes.

Rangos en %C: entre 0,15 y 0,30, aceros bajo de carbono

mayor de 0,30 y hasta 0,5, aceros de medio carbono

mayor de 0,50 y hasta 0,9 aceros de alto carbono

Nomenclatura:

N 1 N2 X X

% C (es un rango de valores)

Principal aleante en %

Designa si es un acero al C o un acero aleado

Aceros al Carbono

N1: el 1 designa a los aceros al carbono, otro numero es un acero aleado con otro u otros metales.

N2: Puede ser 0 (acero al carbono), 1 acero al carbono resulfurizado (contenido de S oscila entre 0,08 - 0,13 %), 2 acero al carbono resulfurizado (contenido de S 0,24 - 0,33 %) y refosforado, 3 aleado con manganeso.

Ejemplo: N2= 3 (al manganeso hasta 1,75%), SAE 1330

Aceros al carbono en estructuras reticuladas aeronáuticas (antiguamente usadas en fuselajes, bancada de motores) no superan el 0.30% de C y nunca es inferior al 0.20%. Más C mayor fragilidad, problemas con la soldadura, se dificulta por un lado y por otro se produce el temple de la zona próxima a ella.

Aceros al carbono con mas de 0.30% C hasta 0.90% C se utilizan en la fabricación de herrajes, terminales de comando, flex plate (acoples flexibles), resortes entre otros componentes.

Aceros aleados

Es un acero (Fe-C) fusionado con uno o más metales. El producto final en un material con mejoras mecánicas respecto al material base o acero al carbono.

En la tabla anterior se ha marcado los acero aleados mas utilizados.

Algunas aplicaciones en partes y estructuras:

SAE 1020 – 1025:Estructuras tubulares de fuselajes (J-3, PA-11, otros) y bancadas de motores. Buena resistencia mecánica, proceso de soldadura oxiacetilénica con excelentes resultados, problemas de corrosión, necesidad de protección anticorrosiva.

SAE 1030 – 1045: Ejes, bieletas, terminales de comando, herrajes (clevis fork y rod end). El material se utiliza en barras, forjado. Buenas a muy buenas resistencias mecánicas sin tratamientos térmicos. Problemas de corrosión, procesos de protección anticorrosivo.

SAE 4037: Bulones AN (hoy no es el material mas común para este tipo de elementos). Material sin tratamiento térmico, alta resistencia mecánica, gran tenacidad, buena resistencia a cargas cíclicas.

SAE 4130: Uno de los aceros mas utilizados en estructuras aeronáuticas (bancadas, fuselajes). Se lo utiliza sin tratamientos térmico, alta resistencia mecánica, gran tenacidad, buena resistencia a cargas cíclicas, buenas características para ser soldados.

SAE 4340: Utilizados para la fabricación de ejes con grandes solicitaciones mecánicas. Sin tratamientos térmicos tiene muy buenas propiedades mecánicas, gran tenacidad, buena resistencia a cargas cíclicas.

SAE 8740: Bulones AN, NAS, ejes. Material con tratamiento térmico, alta resistencia mecánica, gran tenacidad, buena resistencia a cargas cíclicas.

SAE 8620: Coronas y piñones de cajas de transmisión de helicópteros y cajas reductoras de turbo ejes. El material, con este porcentaje de carbono, está preparado para realizarle tratamiento de endurecimiento superficial de carburizado.

SAE 9315: Coronas y piñones de cajas de transmisiones de helicópteros y cajas reductoras de turbo ejes. El material, con este porcentaje de carbono, está preparado para realizarle tratamiento de endurecimiento superficial, el proceso es semejante a los comúnmente utilizados pero posee una etapa de enfriamiento criogénica.

Cr. Aumenta la resistencia a la corrosión y al disolverse en la austenita aumenta también la templabilidad. En aceros de alto contenido de carbono, aumenta la resistencia a la abrasión y al desgaste.

Ní. Disminuye las temperaturas críticas del acero y aumenta la templabilidad de ellos. Se pueden obtener aceros resistentes con menor contenido de carbono, incrementándose la tenacidad y la resistencia a la fatiga. Aumenta la ductilidad y la resistencia a la corrosión.

Mn. Usado para desoxidar y desulfurar. El manganeso que no se combina con el azufre, favorece la maquinabilidad del acero. Más del 1% de Mn en el acero se clasifica como un acero aleado al manganeso (como vimos).

Si. Se agrega como desoxidante. Junto con manganeso, cromo y vanadio, estabilizan carburos. El contenido en silicio debe ser menor o igual al 0,2% en aceros que se van a soldar, el sílice tiene un punto de fusión muy alto. En aceros obtenidos por moldeo puede ser de hasta 0,3%, le da al acero fundido fluidez. En aceros con alto contenido en carbono, el contenido de silicio deber ser bajo (favorece la descomposición de la cementita en grafito).

Mo. Después del carbono es el que provee alta dureza y alto grado de tenacidad. Es un fuerte formador de carburos y aumenta fuertemente la templabilidad de los aceros. Mejora la resistencia mecánica de los aceros a altas temperaturas y reduce la susceptibilidad a la fragilidad en el revenido en aceros al cromo-niquel.

V. Refinador del tamaño de grano, también aumenta la tenacidad del acero. Utilizado ampliamente en aceros para herramientas.

Tratamiento térmico de los aceros

Consiste en calentar el acero hasta ciertas temperaturas y luego producir el enfriamiento rápido o lento dependiendo de las características mecánicas que se pretendan obtener.

Los comúnmente utilizado en aeronáuticos son:

Normalizado: se calienta el material por encima de la temperatura crítica, se produce la total transformación de la austenita. Se logran estructuras cristalinas (grano) uniformes (perlita fina) cuando el material es enfriado en aire calmo hasta la temperatura ambiente. Aceros tenaces, proceso previo al templado (caso de los tubos estructuras de aeronaves SAE 4130).

Templado y Revenido: se calienta el material hasta un rango crítico de temperaturas (depende del % de C). Transformación de la estructura (la perlita pasa a austenita). Enfriamiento rápido (agua, aceite, etc) obteniéndose un grano pequeño y fino (martensita). Estructuras de granos frágiles, se les realiza un proceso de revenido recuperando ductilidad, tenacidad y resistencia a impactos (disminución de la dureza).

Aluminio

No se encuentra en la naturaleza como tal sino como un óxido, como todos los metales. A partir de procesar la bauxita (óxido), procedente de rocas silicatoaluminicas, se logra el aluminio puro.

Ventajas: muy maleable, alta capacidad de conducir el calor y la electricidad, muy reflectivo, resistente a la corrosión, de baja densidad si se la compara con el acero (aprox. 1/3 de la densidad del acero)

Desventajas: del punto de vista de su resistencia no debe ser aplicado en estructuras ni componentes mecánicos por su muy baja resistencia mecánica. Solamente puede aumentar su resistencia por deformación (se logra el doble aproximadamente) y no adquiera resistencia por tratamientos térmicos.

Aleaciones de aluminio

La metodología utilizada para mejorar la resistencia del aluminio, incrementándola bastante sin reducir demasiado otras propiedades deseables tales como la ductilidad y la densidad, es aleándolo con uno o más metales y/o metaloides.

Las aleaciones que logran mayor resistencia que el aluminio puro se dividen en dos clases:

  las que pueden ser endurecidas por trabajo en frío

(deformación a temperatura ambiente).

las que responden tanto al endurecimiento por trabajo en frío y tratamientos térmicos o a ambos por separado.

Clasificación del aluminio y sus aleaciones

• Aluminio puro y sus aleaciones (productos no fundidos) se designan de acuerdo a ANSI (American Nacional Standard Institute) H35.1.

• Aleaciones fundidas se codifican de acuerdo a ASTM B275.

Estas designaciones son internacionales aunque hay países que poseen su propia designación equivalente.

Elemento de mayor porcentaje Designación Tratamiento térmico Aluminio Puro 1xxx No tratable Cobre 2xxx Tratable Manganeso 3xxx No tratable Silicio 4xxx No tratable Magnesio 5xxx No tratable Magnesio y Silicio 6xxx Tratable Zinc 7xxx Tratable Otras aleaciones 8xxx --------------------------- Serie reservada 9xxx ---------------------------

Nomenclatura:

Aluminio puro (no aleado)

A 1 A2 X X

Ejemplo: 1050 se interpreta como un aluminio de 99,50% de pureza, sin especial control de impurezas

Se reserva el 1 para Al puro (99% de pureza), los números siguientes definen el principal aleante.

Este valor va de 0 a 9, es el control de impurezas que se le realiza.

Mínimo porcentaje de aluminio en centésimas.

Aluminio aleado

A 1 A2 X X

Ejemplo: 2024 (aleación original dentro de la serie) se interpreta como una aleación de aluminio cuyo principal aleante es el Cu.

los 2 al 9 definen el principal aleante.

de 0 a 9, cero se trata de la aleación original. Los números del 1 al 9 son consecutivamente indicando las modificaciones de la aleación

últimas dos cifras sirven para identificar las diferencias de las aleaciones en el grupo.

Como se menciono los elementos aleantes del aluminio proporcionan ciertas ventajas y desventajas. A continuación se enumeran estas.

Cromo (Cr). Aumenta la resistencia mecánica cuando está combinado con otros elementos Cu, Mn, Mg.

Cobre (Cu). Incrementa las propiedades mecánicas pero reduce la resistencia a la corrosión.

Hierro (Fe). Incrementa la resistencia mecánica.

Magnesio (Mg). Produce alta resistencia tras el conformado en frío.

Manganeso (Mn). Incrementa las propiedades mecánicas y mejora la calidad de conformación por deformación (aleación 3XXX son utilizadas en productos para almacenar líquidos, etc)

Silicio (Si). Combinado con magnesio (Mg), logra mayor resistencia mecánica.

Titanio (Ti). Aumenta la resistencia mecánica.

Zinc (Zn). Aumenta la resistencia a la corrosión.

Aleaciones de aluminio

• Serie 2xxx: El cobre es, como se dijo, el principal aleante y se encuentra en la aleación con valores comprendidos entre el 1,9 y el 6,8%, clásicamente 4,5%. Tratamiento de solución (enfriamiento lo mas rápido posible, minimiza formación de CuAl2, fase θ) dan temples inestables. Luego envejecimiento artificial o envejecimiento por precipitación, para obtener temples estables y las máximas propiedades mecánicas.

Aleación 2024:

El proceso de enfriado lento precipita, en el borde de grano, aleación CuAl2 (-) y en las zonas próximas hay menos Cu (Al mas puro +) que en el resto de la aleación. Diferencia de potencial electroquímica, corrosión intergranular ante la presencia de un electrolito.

Envejecimiento artificial: se refina la estructura con lo que se logra mejorar las propiedades mecánicas y disminuir la corrosión intergranular, una vez que empieza no se puede detener.

Cladding: proceso de deposición de una fina capa de aluminio puro o de la serie 6xxx sobre el aluminio aleado. Minimiza el contacto del electrolito con el aluminio aleado. Espesores máximos del 5,5% del espesor del material base.

Ejemplo: 2024 T3 ALCLAD, indica que es una aleación al Cu, con un envejecimiento natural (precipitado a temperatura ambiente) y estirado en frío y cladding.

Aplicaciones: muy buenas propiedades mecánicas. Intradós de alas de aviones de transporte, estructura de fuselajes semimonocasco, cuadernas, costillas, largueros, bulones, entre otras.

• Serie 6xxx: aluminio aleado con silicio y magnesio en proporciones tales de obtener silicato de magnesio, tratable térmicamente. Resistencias mecánicas mejoran con los TT.

Aleación 6061

Tratamiento térmico de solución y envejecido natural (T4) y hasta un tratamiento térmico de solución con envejecimiento artificial (T6). Resistencias mecánicas menores comparadas con las de aleaciones series 2000 o 7000, posee buena resistencia a la corrosión (no presenta corrosión intergranular) y buenas mecanización.

Aplicaciones: utilizada en aeronáutica (particularmente en la experimental), estructuras de alas y fuselajes, piezas mecanizadas, etc. Placas, chapas, tubos conformados sin costura, etc.

Serie 7xxx: Zinc es el elemento aleante más importante y cuando se le agrega una pequeña cantidad de magnesio resulta tratable térmicamente lográndose muy alta resistencia mecánica. A estas aleaciones suelen agregárseles cobre y cromo en pequeñas cantidades con el fin de mejorar sus características mecánicas. Como las aleaciones anteriormente mencionadas precipita a temperatura ambiente.

Aleación 7075:

Aleación más conocida y utilizada de la serie en aeronáutica. Esta tiene alta resistencia mecánica, muy buenas propiedades mecánicas a la fatiga. Tratamientos térmicos de solución y envejecido artificialmente (T6) para mejorara las propiedades mecánicas. Presenta corrosión bajo tensión en presencia de vapor de agua, cloruro de sodio, oxigeno atómico.

Aplicaciones: utilizada en aeronáutica en elementos estructurales sometidos a altas solicitaciones como estructuras de fuselaje, recubrimiento (extradós) de alas, etc.

Serie 5xxx: Elemento dominante el magnesio, no TT, buenas propiedades mecánicas y de soldabilidad. Se mejoran las propiedades mecánicas por deformación.

Aleación 5052:

Poca aplicación aeronáutica, se suele utilizar en la fabricación de tanques de combustible. Resistente a la corrosión pero sufre corrosión bajo tensión semejante a 7075.

Tratamientos térmicos de las aleaciones de aluminio

Procesos térmicos que aumentan la resistencia de ciertas aleaciones de aluminio. Tratamiento térmico de solución + templado, posterior envejecimiento natural o artificial

En los materiales no fundidos se utiliza la siguiente nomenclatura:

W: tratamiento de solución + templado (temples inestables)

T: tratamiento térmico (templado), proceso complementario al W (se obtienen temples estables)

A temples estables ¨ T ¨, se agregan números que identifican si fue un proceso natural, artificial, o cualquiera de ellos combinado con un proceso mecánico como estirado en frio. Los números que se agregan van del 1 al 10.

Ejemplo: 2024 T3, aleación al Cu, con un envejecimiento natural (precipitado a temperatura ambiente) y estirado en frío

Temples utilizados en productos de extrusión y laminados (perfiles, chapas, etc) de uso aeronáutico: T3 y el T6, eventualmente T4.

T3: W, trabajado en frío y envejecimiento natural. Con estirado se obtiene el límite de las propiedades mecánicas.

T4: W y envejecimiento natural.

T6: W, temple y luego envejecido artificialmente (control de la temperatura).

Aleaciones no tratables térmicamente

Al, Al-Mn y el Al-Mg endurecen por deformación en frío (H). Eventual recocido parcial o estabilización (ablandamiento), minimiza tensiones. Los estados de deformación en frío se indican por:

 

H1x: sin recocido

H2x: parcialmente recocido

H3x: estabilizado (temperatura relativamente baja respecto del recocido). Se logran menores resistencias mecánicas y se gana ductilidad.

Segundo dígito (x): grado final de endurecimiento. Recocido (0) sería el grado más bajo de dureza mientras que (8) el totalmente endurecido.

 2 – 1/4 duro4 – ½ duro6 – ¾ duro8 –totalmente duro

 

Ejemplo: chapa de aleación de aluminio 5052 H32 (serie 5xxx Al-Mg) se definiría como un material endurecido por deformación, estabilizado hasta lograr una dureza final ¼ duro. La dureza se relaciona con la tensión máxima del material

Ensayo de tracción: consiste en ir aplicando una carga (máquinas de ensayos blandas) o una deformación (máquina de ensayos duras) a probetas como las vista, a una muy baja velocidad de aplicación de la carga o de deformación (0,5 mm/min) e ir adquiriendo el valor de la carga mediante una celda de carga y la deformación absoluta con un extensómetro mecánico o eléctrico. Se obtiene el diagrama de carga vs deformación que luego es convertido al diagrama Tensión vs Deformación específica, para ello se considera que el área de la sección de ensayo no varía durante este (A=cte) y se debe tener en cuenta la longitud inicial de la zona de medición de la deformación comúnmente llamado

Moderna máquina de ensayos

Las máquinas actuales convierten directamente un diagrama a otro. Obtenido el diagrama tensión vs deformación específica podemos comparar los materiales, utilizar los valores que se obtienen de ellos para diseñar las piezas, evaluar cual es mas apropiado para, por ejemplo, absorber energía o bien soportar mejor impactos, etc.

Antigua máquina de ensayos (de tipo blanda) donde se aplica carga controlada por medio de un pistón hidráulico.

A continuación se presenta un diagrama clásico de tensión vs deformación específica de un acero con bajo contenido de carbono (SAE 1020).

M

R

σm

ax

σfl

uen

cia

σp

rop

σelá

sti

ca Zona plástica

Zona elástica

Del gráfico anterior se pueden distinguir ciertos valores de tensión que son utilizados en el diseño pero, además, el gráfico da mas información para la elección de un material. El área encerrada bajo la curva en el régimen elástico (zona amarilla) nos informa sobre la energía que el material puede absorber en el régimen elástico (resiliencia). El área total (parte elástica y plástica) nos habla de la capacidad total de absorber energía que tiene el material, esto se denomina tenacidad.

Las tensiones Tensión elásticaTensión proporcionalTensión de fluenciaTensión 0,2Tensión máximaTensión de rotura

A continuación se presenta una tabla obtenida del MIL-HDBK-5H

53,5

51

39

En el siguiente cuadro se observa la variación de la tensión ultima y de la tensión 0,2 (fluencia) de la aleación 7075 T6.

Titanio y sus aleaciones

Titanio

Es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre. Los principales yacimientos se encuentran en Rusia.

Nunca se presente en estado elemental en la naturaleza debido a su alta reactividad, se encuentra en forma de óxidos como: rutilo (TiO2 óxido de titanio) e ilmenita (FeTiO3), menas desde la que parte el proceso de extracción de titanio elemental.

La elevada estabilidad de los óxidos de titanio limita las alternativas para reducir el titanio por lo que actualmente el proceso Kroll es el preferido para producirlo a pesar de su alto costo económico.

El titanio elemental obtenido por este proceso partiendo del mineral rutilo (TiO2) o ilmenita (FeTiO3), relativamente impuros, es poroso y con apariencia de esponja, por lo que se le denomina ‘titanio esponja’. La obtención de titanio mediante el proceso Kroll se realiza en las siguientes etapas:

o Cloración del óxido para producir TiCl4 (tetracloruro de titanio).

o Destilación del TiCl4 para purificarlo.o Reducción del TiCl4 con Mg (reacción del TiCl4 con magnesio

fundido en atmósfera inerte) para producir titanio metálico.o Purificación del titanio metálico (esponja) para eliminar los

productos secundarios.o Troceado de la esponja de titanio para reducir su tamaño.o Fundido de la esponja metálica obtenida en horno voltaico al

vacío para obtener lingotes de titanio puro.

El cuadro siguiente muestra el proceso a partir de la Ilmenita.

Densidad es de aproximadamente 4.4g/cc, el valor de la densidad del titanio aleado no varía significativamente respecto al puro. Es un material paramagnético como el aluminio.

Estructura cristalina hexagonal compacta a temperatura ambiente, llamada alfa. Esta se transforma a beta, cubica centrada en el cuerpo, al someterlo a 882 ºC.

Ventajas de la fase alfa:

Es dúctil y maleable lo cual permite fabricar láminas delgadas.

Puro o aleado posee excelente resistencia a la corrosión hasta aproximadamente los 540ºC.

Material con alta afinidad con gases (H, N y O) forma soluciones sólidas intersticiales de gran resistencia mejorando las características mecánicas.

Densidad intermedia entre el acero y el aluminio y sus aleaciones.

Elevado punto de fusión del orden de los 1670ºC. Tanto puro como aleado puede ser soldado mediante

técnicas con atmósfera controlada.

Aplicaciones: Se lo utiliza en tubería para procesos químicos, válvulas y tanques, paredes cortafuegos (o parallamas) de aeronaves, tubos de escape, entre otras.

Desventajas:

Es relativamente costoso obtenerlo a partir de los minerales que lo contienen (mena)

Baja capacidad de conducir el calor y la electricidad. Esto puede ser una ventaja si se lo utiliza como aislante (caso de aislacion de contactos térmicos en satélites, parallamas, etc).

Del punto de vista de su resistencia, en fase alfa, no debe ser aplicado en estructuras ni componentes por su baja resistencia mecánica específica.

Demanda control de cantidad de gases absorbidos (H, Ni y O), si se exceden los límites especificados, ocurre la fragilidad del titanio.

En la tabla siguiente se comparan dos aleaciones de aluminio con titanio en fase alfa, los valores típicos de resistencia corresponden a temperatura ambiente de laboratorio, aproximadamente 23ºC.

Ejemplo

De la tabla se concluye que en aplicaciones aeronáuticas y espaciales el titanio en fase alfa no se aplica, una aleación como la 6061 T6 es más apropiada. Solo podría aplicarse en condiciones de altas temperaturas donde las aleaciones de aluminio no pueden trabajar dado que reducen de manera substancial sus propiedades mecánicas.

Titanio Aleado

Agregar aleantes al titanio cambia la temperatura de transformación de alfa a beta. Estos elementos se los denomina estabilizadores alfa o beta. Un estabilizador alfa hace que la temperatura de transformación alfa a beta sea elevada; asimismo, un estabilizador beta disminuye la temperatura de transformación.

Densidad aparente (referida al agua)

Tensión 0,2 Mpa

Tensión 0,2 específica Mpa

6061 T6 2,70 275 101,9

7075 T6 2,81 372 132,4 Titanio

alfa 4,4 279 63,4

Tipos de estabilizadores

El aluminio, O, N, C son estabilizadores alfa. El cromo, molibdeno, vanadio, magnesio, hierro y otros metales son importantes estabilizadores beta.

Las aleaciones Ti-Mo y Ti-V muestran completa solubilidad sólida, formando la solución (sólida) beta sobre todo el intervalo. El campo de fase alfa es severamente restringido, con su máxima extensión de 1.8 % de Mo y 3.5 % de V.

Las relativas cantidades de estabilizadores alfa y beta en una aleación, además del tratamiento térmico, determinan si su microestructura es predominantemente alfa unifásica, una mezcla de alfa y beta, o la fase única beta.

Aleaciones

Contienen normalmente un 5% de aluminio y 2.5% de estaño, ambos estabilizadores de la fase α y endurecedores por solución sólida.

Hemos mencionado algunas ventajas de esta fase anteriormente, además de ello podemos agregar que son tratables térmicamente mediante recocido a elevadas temperaturas en la zona β, enfriándose posteriormente (lenta o rápidamente) dependiendo el tipo de grano que se quiera obtener.

Este tipo de aleaciones no se utilizan en la fabricación de piezas estructurales de aeronaves.

Aleaciones β

Estabilizadores, molibdeno o vanadio. Se produce una estructura enteramente beta a temperatura ambiente. Ninguna aleación beta está aleada hasta los extremos mencionados (1,8%Mo y 3,5%V), en su lugar se combinan estos estabilizadores de modo que ante el enfriamiento rápido se produce una estructura β metaestable (se encuentra en equilibrio aparente pero que puede cambiar a un estado más estable). Estas aleaciones, por lo tanto, pueden ser tratadas térmicamente (endurecimiento por precipitación) con los que se consigue aumentar su resistencia.

Aplicaciones: remaches de alta resistencia, largueros, recubrimientos y otros elementos estructurales para uso aeroespacial.

 

 

Aleaciones α + β

Poseen resistencias mecánicas media a alta y la mayoría de ellas son fáciles de soldar. Estas aleaciones contienen suficientes elementos estabilizadores β para provocar que la fase β persista hasta la temperatura ambiente, son más duras que las aleaciones α. Pueden tratarse térmicamente para obtener altas resistencias. La aleación se solubiliza cerca de la temperatura de transformación en fase β como se observa en la siguiente figura, lo que permite que todavía quede cierta cantidad de fase α para evitar el crecimiento de grano.

Después, la aleación se enfría rápidamente para formar una solución sólida sobresaturada metaestable  β' o martensita de titanio α'. Posteriormente, la aleación es envejecida o revenida alrededor de 500°C.

Durante el envejecimiento, las fases α  y β anteriores al enfriamiento y los precipitados de las fases β' o α' aumentan considerablemente la resistencia de la aleación.

Tratamiento termoquímico de nitruración, aleaciones α+β: ejemplo titanio Grado 5, de amplia aplicación en aeronáutica. Se produce una capa de revestimiento lisa y homogénea, con incrementos de la dureza superficial de hasta un 500% respecto al material no tratado. Formación de capa de nitruro de titanio (Ti2N), espesor de 2-3 mm. Las piezas a tratar se colocan en una cámara al vacío y sometidas a una temperatura de 500 °C.

Se inyecta nitrógeno que reaccionan con iones de titanio formando nitruro de titanio (presentando al final del proceso un color dorado). Dureza superficial obtenida puede aumentar hasta 35 HRC (Rockwell) (326 Brinell). A título de comparación una aleación de aluminio 6061 T6 posee una dureza de 95 Brinell. A las muy buenas propiedades mecánicas de esta aleación por la acción de este tratamiento se logra aumentar substancialmente la resistencia a la abrasión.

La aleación típica de uso en aeronáutica es una aleacion α + β (6% aluminio, 4% vanadio), denominado Ti6Al4V (grado 5) la cual se utiliza para fabricar discos de compresores de turbinas, materiales forjados para estructuras de avión, trenes de aterrizaje, ejes, etc.

Otra aleación de titanio pero de fase β es la que se utilizó en la fabricación de partes de la estructura (recubrimientos, cuadernas, etc) del avión de reconocimiento estrategico SR 71 Blackbird el cual entró en servicio en la década del 60 (1966-1991).

El 85% de este avión estaba fabricado con aleaciones β (Ti13V11Cr3Mo). Esta aleación tardó bastante tiempo en ser introducida en algunas aeronaves comerciales como el Boeing 757 debido a su alto costo.

Otras aplicaciones aeronáuticas

Clasificación del titanio puro y sus aleaciones

Se clasifican bajo norma ASTM B 381-05 (Standard specification for Titanium and Titanium Alloy Forgings, es común encontrar al titanio y sus aleaciones por su designación simbólica por ejemplo Ti6Al4V, esta aleación según ASTM B 381-05 sería un Grado 5.

 

El titanio comercialmente puro (CP grados 1 a 4) tiene una estructura alfa y contiene pequeñas cantidades de elementos “intersticiales” (nitrógeno, oxígeno, carbono) que ocupan los huecos en el cristal como se explicó anteriormente. Se diferencian entre sí por el contenido de oxígeno que aumenta del grado 1 al 4, confiriéndole una creciente resistencia mecánica. No se aplica en componentes de uso aeronáutico por su baja resistencia mecánica.

 

Las aleaciones de titanio, como vimos, se clasifican según su estructura en “aleaciones alfa” (grados 6,7,11), “aleaciones alfa-beta” (grado 5, 9) y “aleaciones beta”. Algunas están diseñadas para mejorar la resistencia a la corrosión (grados 7 y 11 las cuales contienen paladio) y otras para mejorar su resistencia mecánica por tratamiento termoquímico (grado 5 contiene aluminio y vanadio).

  

El Titanio y sus aleaciones se pueden clasificar según su propósito en:

RESISTENTES A LA CORROSIÓN

CP-1, CP-2, CP-3, CP-4, Ti-Pd Grado7 & 16, Ti-3Al-2.5V Grado9 & 18, entre otros.

ALTA RESISTENCIA

 Ti-6Al-4V Grado 5, Ti-5Al-2.5Sn Grado 6, Ti-2.5Cu, Ti-6Al-7Nb, Ti-4Al-4Mo-2Sn, Ti-6Al-6V-2Sn, entre otros.

RESISTENTES A ALTA TEMPERATURA

 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-11Sn-5Zr-2.5Al-1Mo

entre otros.

A continuación de presenta una gráfica comparativa (Tensión limite elástico) entre diferentes aleaciones de titanio.

No metálicos

Material compuesto: unión de dos o más materiales disímiles. En general se entiende como material compuesto a la unión entre un tipo de fibra embebida en una matriz polimérica.

Existen materiales compuesto con matriz metálica y no metálica y fibras (compuesto C-C, frenos aviones, toberas de cohetes).

Maderas

Material compuesto natural.

Combinación fibras huecas de celulosa

unidas con lignina.

Son materiales que presentan resistencias semejantes en dos direcciones y muy distinta en una tercera, se los llama materiales anisotropicos y, en este caso, particularmente ortotrópicos.

Maderas utilizadas en estructuras

aeronáuticas:

Maderas blandas macizas: varios tipos de pinos (Spruce Sticka, Oregon, Hemlock, Haya, etc).

Ventajas: densidades bajas, buenas resistencias mecánicas y elasticidad, alta resistencia a la fatiga (cargas cíclicas), reciclable, buena resistencia a impactos, naturalmente es un diseño fail safe.

Desventajas: susceptibles de ser atacada por insectos y microorganismos, higroscópica (cambio en sus propiedades mecánicas con la humedad), inflamable.

Maderas duras: no se utilizan en estructuras si en la fabricación de la raíz de hélices de algunas aeronaves.

Condiciones físicas para la aplicación en componentes estructurales

HR no inferior al 8% y no superior a 15% (zonas húmedas se admite 18%)

La desviación de la veta no debe ser superior a 1/15 respecto al eje del larguero

Son aceptables nodos hasta 3/8¨ (9,52 mm) de diámetro siempre que no estén ubicados en los flancos de los largueros, a nos mas de 20¨ (508 mm) uno de otro, y estén en el tercio central de la viga.

Maderas terciadas (laminados): combinación de láminas delgadas de maderas blandas con el fin de tener características mecánicas semejantes en todas direcciones o en direcciones preferenciales.

EFECTO DE LA CONTRACCIÓN EN EL PROCESO DE SECADO DE LA MADERA

Materiales compuestos, resinas y refuerzos (fibras), utilizados en estructuras aeronáuticas:

Definición: material formado por fibras embebidas en una matriz.

Materiales denominados anisotropicos: sus propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas, varían con la dirección (pésimos conductores eléctricos y térmicos).

Industria aeronáutica

Resinas: son del tipo termorrígidas como las resinas epoxi, vinilesteres y fenólicas.

Fibras: Vidrio S, Carbono (alto y bajo módulo) y Kevlar (aramida)

Función de la resina: matriz que une las fibras, se encargada de transmitir los esfuerzos entre las fibras y protegerlas del medio.

Función de las fibras: son los refuerzos que soportan principalmente las cargas actuantes (más rígida y resistente que la matriz).

Fibras

Clasificación por forma: particuladas, discontinuas y continuas.

Industria aeronáutica usa fundamentalmente continuas (uni, bi y/o multi direccional) dado que se requieren alta rigideces y resistencia.

Procesos de fabricación: dependerán del material seleccionado para la matriz y el tipo de aplicación.

Procesos típicos de fabricación:

1) Sacos de vacío + autoclave (uso en aeronáutico y espacial)

2) Bobinado (filament winding) (uso aeronáutico y espacial)

3) RTM (Resin Transfer Moulding) (uso aeronáutico y espacial)

4) Braiding

5) Pultrusión (Pultruded)

Matriz Termorrígida

(curado) Termoplástica

(consolidado)

Alto desempeño (fibras continuas)

Bajo costo (fibras picadas)

Refuerzo particulado

Refuerzo fibras discontinuas

a) Unidireccional

b) Orientación aleatoria

Refuerzo fibras continuas

a) Unidireccional

b) Tejido (Cross-ply)

c) Tejido multidireccional

Cuasi Isotrópic

o

Laminados

1) Saco de vacío + autoclave

Características

• Baja cantidad de cavidades (vacíos) en la pieza conformada• Alto volumen de fibras• Requiere bolsa de vacío

Aplicaciones

• Piezas de bajo espesor• Piezas de formas complejas (planos de curvatura por ejemplo)

Etapas del proceso

• Corte de las telas• Laminación• Bolsa de vacío• Cura en autoclave• Desmolde

Materias primas

• Pre impregnados (Prepeg)• Fibras unidireccionales• Tejidos

Tipo de fibras

•Carbono•Vidrio S•Aramida (Kevlar)

Moldes

• Metálicos

1) Mayor durabilidad

2) Capacidad térmica

3) Alto costo

4) Proceso de fabricación por maquinado

• Compuesto:

1) Baja durabilidad

2) Aplicado a geometrías no muy complejas

3) Son de baja capacidad térmica (muy baja conductividad)

4) Proceso de fabricación por moldeo

5) Piezas de menor responsabilidad

Ventajas

1) Baja porosidad del compuesto

2) Control estricto de la relación Fibra/Resina

3) Herramientas simples

4) Variables ciclos de curado

Desventajas

1) Prepeg tiene un alto costo

2) Mucho desperdicio de material

3) Sala de laminación climatizada

4) Solo se consigue una sola superficie con buen acabado

5) Elevado consumo de energía (por mantenimiento del prepeg en cámaras y por uso de autoclave).

Bobinado

Características

• Baja cantidad de cavidades (vacíos) en la pieza conformada• Buen control del posicionamiento de las fibras• Buen aprovechamiento del material• Es posible realizar uniones

Aplicaciones

• Piezas axisimétricas: recipientes de presión, tanques, conductos, entre otros

Etapas del proceso y control de parámetros

• Viscosidad de la resina• Eliminación de exceso de resina• Tensión de la fibra• Velocidad de bobinado• Posicionamiento de la fibra (mediante control numérico)

Materias primas

• Resina epoxi• Resina Fenólicas• Resina Poliéster

Tipo de fibras

•Carbono•Vidrio E y S•Aramida (Kevlar)

Ventajas

1) Piezas grandes y pequeñas

2) Control del posicionamiento de la fibra

3) Excelente aprovechamiento del material

4) Uso de liners en recipientes a presión

Desventajas

1) Limitado a formas simétricas o axisimétricas

2) Control malo del contenido de resina

3) Requiere de control operacional (programación, parámetros de procesos, etc)

Infusión de resina y RTM (Resin Transfer Molding)

Características

•Preforma de las piezas en moldes cerrados•Buen control del posicionamiento de las fibras•Buen aprovechamiento del material•Buen acabado de ambas superficies (RTM fundamentalmente)

Aplicaciones

•Piezas donde los lotes son grandes•Piezas de geometrías complejas

Etapas del proceso

•Preparación de la preforma por braiding o laminación manual (en seco) •Moldeo de la preforma • Impregnación: uso de vacío, inyección de resina de baja viscosidad y curado (molde con temperatura)

Materias primas

• Tejidos uni, bi o multidireccionales• Bolsas de vacío• Peel Ply• Mantas absorbentes• Mantas perforadas• Cintas selladoras

Tipo de fibras

•Carbono•Vidrio E y S•Aramida (Kevlar)

Control de procesos

• Velocidad de la resina• Control de viscosidad (alta viscosidad mayor presión,

deformación de moldes)

Ventajas

1) Alta tasa de producción

2) Control del posicionamiento de la fibra

3) Piezas grandes y pequeñas

4) Buen acabado de ambas superficies

5) Piezas de forma complejas

Desventajas

1) Costo elevado de los moldes

2) Viable cuando la producción es elevada