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Consideraciones de materiales para aplicaciones aeroespaciales

RR Boyer, JD Algodón , M. Mohaghegh y RE Schafrik

La selección de sistemas de materiales para aplicaciones aeroespaciales, como estructuras de aviones o sistemas de
propulsión, implica requisitos múltiples y desafiantes que van más allá de los atributos de rendimiento esenciales
(resistencia, durabilidad, tolerancia a daños y bajo peso). Los materiales deben exhibir un conjunto de propiedades
exigentes, ser producibles en múltiples formas de productos y demostrar una alta calidad constante. Además, deben
estar disponibles comercialmente y ser asequibles.
La lista de materiales que cumplen estos requisitos no es larga. La integración y transformación de materiales de alta
ingeniería en estructuras de aviones también es compleja. El Boeing 747, por ejemplo, necesita más de 6.000.000 de
componentes de numerosos sistemas de materiales y proveedores de todo el mundo. Esto requiere que los materiales
sean estables y que el diseño de materiales y la ingeniería de estructuras acerquen soluciones efectivas simultáneamente.

Los motores de turbina de alta temperatura exigen materiales resistentes, livianos y resistentes a altas temperaturas,
equilibrados con una alta durabilidad y confiabilidad en un entorno de servicio severo. Estas aplicaciones proporcionan
ejemplos notables de cómo los imperativos de la ingeniería influyen en la investigación y el desarrollo de materiales
metálicos y compuestos en términos de química, fabricación y microestructura de los materiales.

Introducción Los ser suficiente para el futuro próximo. Los próximos 20 a 30 años de avances
aviones modernos constan de tres componentes principales: en estructuras y motores aeroespaciales estarán impulsados más por la
estructura, propulsión y sistemas. Este artículo analiza materiales presión de los costos de fabricación y del ciclo de vida.
y consideraciones clave de diseño y fabricación para estructuras Esto es especialmente cierto en el caso de los compuestos de matriz
de fuselajes y motores. No se abordará el componente de polimérica, que aún no se han beneficiado de todo el potencial de la
sistemas, que proporciona energía, control y servicios públicos. automatización y, a menudo, dependen de una importante mano de obra
Los materiales de la estructura del avión han experimentado una evolución durante su fabricación. Los composites proporcionan ventajas significativas
notable desde el primer avión de vuelo propulsado de los hermanos Wright, con respecto al peso y la resistencia a la fatiga y la corrosión que deberían
que estaba hecho principalmente de madera y tela, hasta aleaciones de traducirse en costes de mantenimiento significativamente reducidos. Sin
ingeniería moderna, principalmente aluminio y compuestos de polímero embargo, también enfrentan algunos desafíos relacionados con el rendimiento,
reforzado con fibra de carbono (CFRP). La selección de materiales para las como resistencia y tenacidad interlaminares relativamente bajas, poca
estructuras de los aviones es un proceso complejo que debe realizarse durabilidad en condiciones de calor­húmedo (ciclos higrotérmicos) y otras
rápidamente a través de una gran cantidad de componentes interconectados condiciones ambientales, y fragilización debido a la exposición a la luz ultravioleta (UV).
que cumplan con los requisitos de diseño con los costos de fabricación y Los conceptos de diseño deben coordinarse con la ingeniería de
mantenimiento más bajos posibles. La fabricación debe realizarse con un fabricación, las herramientas y los proveedores para confirmar su concurrencia
impacto ambiental mínimo tanto a partir de materiales incorporados como de con la definición del producto para ayudar a garantizar la fabricabilidad. Como
materiales sueltos, como el cadmio, así como un uso mínimo de materiales método para controlar los costos y ayudar a los operadores con flotas que
raros, como el renio. incluyen múltiples modelos de aviones, los diseños deben esforzarse por
Históricamente, la reducción de peso ha sido un motivador principal de la lograr elementos comunes entre los modelos.
innovación en la industria aeroespacial, impulsada por la seguridad, el De manera similar, el diseño de los motores de turbina enfatiza los bajos
rendimiento, la eficiencia del combustible y la autonomía. Aunque estos costos operativos, dando prioridad al aumento de la eficiencia del combustible.
factores son importantes, es posible que la eficiencia del motor y del fuselaje ya eficiencia y ampliar el tiempo que un motor puede permanecer

RR Boyer, RBTi Consulting, EE.UU.; rodney.r.boyer@gmail.com JD

Cotton, Investigación y Tecnología de Boeing, The Boeing Company, EE.UU.; james.d.cotton@boeing.com M. Mohaghegh,

Aviones Comerciales Boeing, The Boeing Company, EE.UU.; michael.mohaghegh@boeing.com RE Schafrik Ingeniería de Materiales
y Procesos, GE, Aviation USA; bobschafriksr@gmail.com DOI: 10.1557/mrs.2015.278
,

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CONSIDERACIONES SOBRE MATERIALES PARA APLICACIONES AEROESPACIALES
METRO

en el ala antes de un mantenimiento y reparación exhaustivos. Los operadores de peso. 6 Todos estos beneficios se han obtenido en diversos grados a medida
líneas aéreas a menudo exigen acuerdos de mantenimiento a largo plazo, de 10 que se acumula experiencia. Las desventajas de los compuestos incluyen mayores
años o más, que garanticen factores tales como los costos de mantenimiento y costos recurrentes y no recurrentes, altos costos de materiales, requisitos de
el tiempo de vuelo del motor. Este requisito está impulsando soluciones de aislamiento para algunos materiales (para evitar la corrosión galvánica, por
materiales comunes en todos los modelos de motores, una mayor estandarización ejemplo) y falta de conductividad eléctrica. Además, a diferencia de los metales,
de los métodos de fabricación, el uso de materiales y recubrimientos que mejoran los materiales compuestos pueden ser sensibles a los daños por impacto. La
la resistencia ambiental y mejores pruebas de calificación de materiales que mantenibilidad y reparabilidad a largo plazo de los compuestos son prometedoras,
5 ,7,8 espectáculo
pueden predecir mejor el rendimiento a largo plazo a partir de pruebas de corta pero deben demostrarse para una vida útil más larga.
duración. .

Consideraciones de diseño: Estructuras de aviones El Los requisitos de propiedades de los materiales para las células de los
diseño estructural de los vehículos aeroespaciales se rige tanto por requisitos aviones dependen de la carga, el entorno y los materiales de un componente en
reglamentarios genéricos como por requisitos específicos del producto definidos particular. El fuselaje, por ejemplo, puede verse como una estructura
por agencias gubernamentales, la industria y sus clientes, como la Agencia semimonocasco en la que otros componentes comparten el papel estructural con
Federal de Aviación (FAA), las líneas aéreas, la Administración Nacional de el revestimiento, que soporta la presión (tensión) y las cargas de corte de la
Aeronáutica y del Espacio (NASA) de EE. UU. y agencias militares. cabina. Los largueros longitudinales soportan las cargas longitudinales de tensión
1,2
La mayoría de los requisitos son y compresión debidas a la flexión; los marcos circunferenciales preservan la
interdependientes y muchos son fácilmente cuantificables, pero algunos son forma del fuselaje y transfieren las cargas del suelo al revestimiento; y los
menos tangibles. Un diseño exitoso cumplirá todos los requisitos y al mismo mamparos manejan grandes cargas concentradas.
tiempo equilibrará los objetivos económicos y de rendimiento.
Tenga en cuenta que este artículo se centra en los fuselajes y motores de aviones El ala, en efecto, es una viga que soporta una carga de flexión durante el
comerciales y militares. vuelo. 9 El ala soporta tanto el peso estático de la aeronave como las
La tasa de accidentes de los aviones de transporte comerciales se redujo cargas adicionales debidas a las maniobras y turbulencias, así como al despegue
significativamente durante la década de 1960 gracias a los esfuerzos combinados y aterrizaje desde el tren de aterrizaje durante el rodaje. La superficie superior
de fabricantes, agencias reguladoras y aerolíneas. Aunque las mejoras continuaron del ala está principalmente bajo compresión debido al momento de flexión hacia
en la década de 1970, la tasa de accidentes ha sido casi constante desde arriba durante el vuelo, pero puede estar bajo tensión durante el rodaje. Las
entonces. Para lograr el objetivo de la industria de reducir drásticamente las tensiones en la parte inferior del ala son todo lo contrario.
tasas de accidentes, se debe mantener e incluso aumentar el énfasis actual en la
seguridad. La Tabla II enumera ejemplos de los impulsores de diseño para las estructuras
Debido a que tanto el número de aviones en servicio como el número de vuelos de paneles de ala. La cola del avión, también llamada empenaje, consta de dos
seguirán aumentando, los diseñadores deben encontrar formas de mejorar las estabilizadores, uno horizontal y otro vertical, y superficies de control, como
estructuras y los métodos para detectar daños o fallas antes de que no logren elevadores y timones. 4 El diseño estructural de los estabilizadores horizontales y
mantener la baja tasa de accidentes actual. Los principales criterios de diseño verticales es similar al del ala, excepto que las cargas son generalmente menores.
estructural consisten en los factores centrales descritos en la Tabla I.
.

Criterios críticos de diseño de materiales Para Consideraciones críticas para estructuras de aeronaves específicas Cada parte
estructuras metálicas, los requisitos de resistencia, durabilidad, tolerancia a importante de una aeronave implica diferentes consideraciones.
daños, seguridad contra fallas, etc., han evolucionado a lo largo de muchas Para el diseño del fuselaje, la durabilidad y la tolerancia a los daños son los
generaciones de aviones, según el historial de servicio de una gran flota. Los factores principales. La fatiga, tanto la iniciación de grietas como la tasa de
requisitos son en gran medida independientes, excepto los relacionados con la crecimiento, y la tenacidad a la fractura son los principales atributos de los
durabilidad y la tolerancia al daño. Las estructuras metálicas tienen un alto materiales. Sin embargo, la resistencia, la rigidez y la corrosión también son parámetros clave.
rendimiento inicial, el servicio provoca poca degradación, por sujetadores y El diseño del ala está influenciado por los requisitos de resistencia, durabilidad
3,
concentraciones 4 y su fuerza estática no se ve muy afectada y tolerancia a los daños. Para los compuestos de matriz polimérica, la resistencia
de tensiones. Sin embargo, un problema importante ,4 La corrosión puede ser un a la fatiga y a la corrosión no son factores determinantes del diseño.
para las estructuras metálicas, al igual que la fatiga bajo cargas de tracción Las propiedades de los materiales, como el límite elástico a la compresión, la
cíclicas de alta magnitud, que limita la vida útil de la estructura del avión. rigidez en la compresión, la resistencia a la fatiga y la tenacidad a la fractura, son
consideraciones clave. Esto se debe a las cargas alternas tierra­aire­tierra
Los diseños recientes utilizan cantidades cada vez mayores de materiales generadas durante el vuelo.
5
compuestos en aplicaciones primarias de estructuras de aviones. Los compuestos El empenaje incluye tanto la aleta vertical como los estabilizadores
ofrecen beneficios que incluyen reducción de peso, reducción de la fatiga y la horizontales. El diseño de las aletas está influenciado principalmente por la
corrosión, menor número de piezas, resistencia y rigidez adaptables y un uso más resistencia estática en condiciones de motor apagado, cuando un motor se apaga.
eficiente de los materiales. Esto último se expresa como una relación más baja de Las cargas de diseño son cargas de compresión debidas a flexión. Como
“compra a vuelo”, que es la cantidad de material utilizado para fabricar una pieza consecuencia, para esta sección de la aeronave, la rigidez a la compresión y el
en relación con su mecanizado final. límite elástico son materiales importantes.

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CONSIDERACIONES SOBRE MATERIALES PARA APLICACIONES AEROESPACIALES
S

Tabla I. Propiedades críticas de diseño de materiales. propiedades. Los impulsores de diseño de los
estabilizadores son similares a los de las alas,
Propiedad de diseño Criterios Propiedad del material crítico Evaluación de propiedad
excepto que la carga generalmente se invierte.
Fuerza estática

Tensión La estructura debe

Fty , Ftu , Fbru , Fty y Ftu para tensión de área
Pasando a otras estructuras, los requisitos
permanecer elástica neta
para la estructura de propulsión se rigen por la
para limitar la carga y
OHT, FHT, Fbr Fbru para fortalecer las articulaciones
resistencia, la fatiga y la tolerancia al daño,
soportar la carga máxima.
Para los materiales mientras que los de los trenes de aterrizaje
Compresión Fcy ,
mi
C Fcy para columnas cortas
compuestos, están determinados por la resistencia, la fatiga
se deben incluir los mi para columnas largas
OHC, FHC, Fbr , CAI (BVID), C
y la corrosión. La Tabla I muestra la relación
defectos de fabricación y tenacidad interlaminar
los daños por impacto entre los impulsores del diseño y las propiedades
apenas visibles (BVID). Pruebas GIc , GIIc y BVID críticas de los materiales.
a nivel de panel para

compuestos
Consideraciones de diseño:
Cortar
Ftu45 , Fty45 , Fsu , Ftu45 , Fty45 para bandas delgadas
GRAMO

Aeromotores Los
FHC, OHC Fsu para redes gruesas aviones comerciales de transporte de pasajeros

FHT, OHT
montan los motores en carcasas exteriores
G para pandeo
(góndolas) que se fijan al ala o al empenaje. El
Durabilidad
montaje en ala es el más común porque ofrece
Fatiga Las aeronaves deben Resistencia a la fatiga de la apertura Los datos de cupones de fácil acceso desde el suelo y coloca el motor a
cumplir su objetivo de especímenes con orificios, muescas, juntas de transferencia de
cierta distancia de la cabina para reducir el ruido
servicio de diseño con un cupones de juntas de transferencia carga alta y baja son los más
alto nivel de confiabilidad. de carga baja y alta; juntas de confiables para la evaluación del motor. Sin embargo, la presencia de pilones
Existe una gran transferencia de alta carga, fatiga de materiales cerca del ala puede perturbar el flujo de aire
dependencia de la interlaminar y de arranque para
sobre el ala y, por lo tanto, aumentar la
experiencia en el servicio. composites
Requisito crítico para resistencia y reducir la sustentación. 10 Por lo
Corrosión/ Gran dependencia de la
estructuras metálicas y KISCC , SCC, umbral y clasificaciones
tanto, los motores montados en el empenaje
ambiente de exfoliación A, B, C, D para
podría ser un factor experiencia en el servicio.
metales; Prueba de cupón para
pueden ser la mejor solución en algunos casos.
de diseño para juntas
compuestas. detectar degradación debido a ciclos
térmicos y de humedad.
Los primeros motores de turbina, el motor
von Ohain, llamado Heinkel HeS 3B, y el motor
Tolerancia al daño
Whittle, conocido como Power Jets W.1, volaron
Tasa de crecimiento Los daños deben Crecimiento de grietas por fatiga, da/d N Intervalo de inspección y métodos por primera vez en 1939 y 1941, respectivamente.
de grietas encontrarse antes para metales; Propiedades basados en análisis validados 11 Los avances en los
utilizada para
de que se vuelvan críticos. interlaminares y líneas de unión bajo mediante prueba.
determinar los
motores aeronáuticos de turbina desde entonces
Para materiales carga cíclica y entorno.
intervalos y compuestos, la estructura han implicado esencialmente mejoras en la
métodos de inspección. no debe demostrar ningún
eficiencia propulsora, incluidas las eficiencias
crecimiento perjudicial
termodinámicas y aerodinámicas, y en los
con defectos
detectables. materiales que permitieron un rendimiento a
temperaturas más altas y un flujo de aire más
Fuerza residual Debe llevar carga límite Kc , Fty , alargamiento, Hc , Kc para paneles anchos o de
con daños grandes. tenacidad a la fractura del baja tenacidad, Fty para
eficiente dentro del motor con alta confiabilidad
compuesto; Hc , (curva norte
piezas estrechas de alta y menor peso.
de resistencia residual) para paneles tenacidad; La resistencia
La Figura 1 muestra un esquema de un gran
anchos, CAI residual se evalúa a nivel
(VID) para áreas locales estructural y de panel ancho. motor de avión de turbina moderno. El aire del
núcleo se mezcla con combustible y se quema
Peso/Costo para alimentar la turbina de alta presión (HPT)
y la turbina de baja presión (LPT). Para una
Minimizar dentro de las Densidad, materiales,
limitaciones. arquitectura de motor de dos carretes, el LPT
costos de fabricación y
mantenimiento. impulsa la etapa del ventilador y el compresor
de baja presión, mientras que el HPT impulsa
Nota: CAI, compresión después del impacto; da /d N , tasa de crecimiento de fisuras por fatiga; CE, compresión de canto; Fbr , carga de rotura; Fbru , el compresor de alta presión. La cámara de
resistencia máxima al soporte; Fcy , límite elástico a la compresión; Fsu , resistencia máxima al corte; Ftu , resistencia máxima a la tracción; Ftu45 ,
combustión acepta aire presurizado de los
resistencia máxima a la tracción a 45° del eje longitudinal; Fty , límite elástico; Fty45 , límite elástico a 45° del eje longitudinal; FHC, compresión de agujero

relleno; FHT, tensión del agujero relleno; G tenacidad a la fractura; Hc , tenacidad a la fractura del compuesto; Kc , tenacidad a la fractura por tensión compresores, lo mezcla con combustible y lo
plana; KISCC , umbral , constante elástica; GIc , tenacidad a la fractura interlaminar modo I; GIIc , modo II interlaminar
quema antes de descargarlo en el HPT. El aire
de fisuración por corrosión bajo tensión; OHC, compresión en pozo abierto; OHT, tensión en pozo abierto; SCC, agrietamiento por corrosión bajo tensión;
VID, daño por impacto visible.
de derivación fluye alrededor del núcleo del
motor y se mezcla con la corriente de escape del núcleo.

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CONSIDERACIONES SOBRE MATERIALES PARA APLICACIONES AEROESPACIALES
METRO

a expensas de las piezas forjadas de aluminio, y el uso

Cuadro II. Consideraciones críticas para el diseño de paneles de ala.4
de aluminio se redujo aproximadamente a la mitad.
Ala de aluminio Paneles y largueros de ala de fibra de carbono
Además, ahora se utilizan compuestos de matriz
Superficie inferior Superficie inferior
cerámica y aluminuros de titanio en lugar de níquel en
Piel (placa) Fatiga, tolerancia al daño, Piel (cinta CFRP) Resistencia estática (tensión), aplicaciones seleccionadas en la turbina, aunque la
resistencia estática (tensión resistencia residual cantidad en peso es lo suficientemente pequeña como
y corte) (tensión), tolerancia al
para que el uso de aleaciones de níquel no haya
daño (resistencia a la
tensión residual) cambiado notablemente.
El uso de nuevos materiales aumentará a medida que
Larguero (extrusión) Larguero (cinta CFRP) Salida del larguero
Fuerza interlaminar continúe la necesidad de materiales más livianos o de
mayor temperatura.
Superficie superior Superficie superior
Un aspecto crucial del uso de materiales en
Piel (placa) Estabilidad, resistencia Spar (cinta CFRP) Resistencia estática, pandeo,
motores de turbinas es controlar las condiciones de
estática (compresión tolerancia al daño
procesamiento termomecánico para minimizar los
y corte), tolerancia (tensión/compresión/
al daño. cizalla), CAI (con BVID) defectos del material. Se requiere una calidad superior

Larguero (extrusión)
para los componentes giratorios, lo que a menudo
Larguero (cinta CFRP) Salida del larguero
Fuerza interlaminar conduce a procesos adicionales, como la triple fusión
de superaleaciones y el prensado isostático en caliente
Largueros/Costillas Largueros/Costillas
de piezas fundidas para cerrar los poros internos;
Espato Resistencia estática, pandeo/ Spar (cinta CFRP) Resistencia estática, pandeo,
límites estrictos de procesamiento; mayores niveles de
tolerancia al daño tolerancia al daño
(compresión/corte/ (compresión/corte/ inspección; y mantenimiento de registros detallados de
tensión) tensión) cada paso del proceso. Los ingenieros de diseño no
utilizan propiedades promedio para sus diseños; más
Nota: CFRP, polímero reforzado con fibra de carbono; BVID, daño por impacto apenas visible; CAI, compresión después del impacto.
bien, utilizan de manera conservadora propiedades
tres desviaciones estándar peores que el promedio (es
del LPT antes de salir del motor por la boquilla de empuje. 13 Los motores modernos decir, en el nivel menos tres sigma [–3 σ]) para tener en cuenta la variación del
emplean una arquitectura de alto bypass del ventilador (gran relación de bypass del procesamiento. (Las propiedades de los materiales suelen seguir una distribución
ventilador, que es la relación entre la masa total de aire que el ventilador introduce estadística gaussiana, aunque algunas propiedades, como la fatiga, deben
en el motor y la masa de aire que fluye a través del núcleo del motor). . Los motores representarse en una escala logarítmica para resaltar la curva en forma de campana).
de generaciones anteriores tenían una relación de derivación del ventilador de 4:1,
mientras que los motores modernos tienen más del doble de esta relación. Los Un enfoque para mejorar la capacidad de los materiales para su uso en motores
factores principales para mejorar la eficiencia del motor son esta alta relación de de turbina es reducir las variaciones de procesamiento, aumentando así los límites
derivación y una mayor eficiencia en las turbinas. de propiedad de –3 σ. Los desarrollos materiales que conducen a un aumento del
La distribución de materiales en un motor típico de alto bypass, valor promedio de las propiedades sin mejorar apreciablemente los límites de
El CF6 producido por GE Aviation, se muestra en la Figura 2. . 14 propiedad de –3 σ no necesariamente resultan en mejoras útiles. Esta es la razón
Los modelos de motores más nuevos generalmente siguen esta distribución, excepto principal por la que los materiales de propulsión se centran en comprender las
que los compuestos de matriz polimérica están aumentando en uso a nivel mundial. fuentes y reducir la cantidad de defectos del material y ha sido una motivación clave
para el desarrollo del modelado de procesos.

Consideraciones sobre materiales: Estructuras de aviones

Nuevas aleaciones y templados en sistemas de aluminio,

titanio y ferrosos han estado evolucionando continuamente
desde el inicio del uso de estructuras metálicas en aviones.
Aunque se ha logrado cierta adaptación de las aleaciones para
mejorar el rendimiento, especialmente la resistencia a la
corrosión, y reducir los costos, esto ha disminuido hasta cierto
punto debido a la pérdida de superficie de diseño en favor del

CFRP.
El CFRP para estructuras importantes desempeñó por primera
vez un papel estructural importante en los aviones comerciales

Boeing 777 (B777). (El primer uso importante fue en el

Figura 1. Motor comercial moderno de alto bypass. Reproducido con autorización de la Referencia 12. ©
2004 ASM International. bombardero Lockheed Martin B­2). Los revestimientos y algunas
de las estructuras internas del

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CONSIDERACIONES SOBRE MATERIALES PARA APLICACIONES AEROESPACIALES
S

peso en aviones anteriores, pero representa aproximadamente el 15% en

los nuevos diseños con uso intensivo de compuestos. Las aleaciones de
aluminio han experimentado la mayor reducción en su uso, desde
aproximadamente el 80% del peso estructural en aviones anteriores a
aproximadamente el 25% en el 787 15 (ver Figura 3).
En el pasado, muchas aleaciones aeroespaciales se desarrollaron
mediante métodos empíricos. Por el contrario, la ingeniería computacional
integrada de materiales (ICME) permite a los investigadores optimizar las
composiciones de aleaciones y el procesamiento térmico para lograr
materiales novedosos más rápidamente y a menor costo. Por lo tanto,
Figura 2. Uso de materiales por peso final en el motor de avión CF6 de alto
ICME se está implementando ampliamente en instalaciones de investigación
bypass fabricado por GE Aviation. Reproducido con autorización de la
Referencia 14. © 2001 The Minerals, Metals & Materials Society. y fabricación en todo el mundo. (Consulte el artículo de Xiong y Olson en
este número para ver un ejemplo del uso de ICME en el diseño de
materiales).

Los estabilizadores horizontales y verticales se fabricaron con CFRP y han Desarrollo de aleaciones de aluminio Las
funcionado bien, con poco mantenimiento. Ese éxito convenció a Boeing principales aleaciones estructurales de aluminio han sido las aleaciones
de fabricar prácticamente todo el fuselaje, el ala y el empenaje y gran parte 2XXX que contienen cobre (a partir de 2024) y las aleaciones 7XXX que
de la estructura de soporte del avión sucesor B787 a partir de CFRP. contienen zinc (a partir de 7075). Estas aleaciones todavía se utilizan hoy
en día. Aunque estas aleaciones se han modificado para mejorar su
Esta evolución se ilustra con el cambio en la distribución de materiales resistencia y tenacidad, el desarrollo de aleaciones más nuevas como 7150
de las principales estructuras de los aviones Boeing, donde la cantidad de y 7055 junto con templados mejorados ha dado como resultado mayores
estructura compuesta aumenta con cada nuevo modelo, dando un paso resistencias y una mejor resistencia a la corrosión.
importante con el B777 ( Figura 3 ). Con la creciente utilización de
compuestos, el uso de titanio también ha aumentado debido a su La Figura 4 ilustra mejoras en las propiedades de las aleaciones de las
compatibilidad galvánica, de rigidez y de expansión térmica con el series 2XXX y 7XXX. Se han logrado avances significativos en la mejora
compuesto de grafito y al desarrollo de aleaciones de alta resistencia para de las propiedades estáticas y de fractura de cada aleación. Muchos de
competir con el acero en estructuras de trenes de aterrizaje. El titanio estos objetivos se lograron reduciendo los niveles permitidos de impurezas,
representó entre el 3% y el 5% de la estructura en particular hierro y silicio, lo que reduce la fracción de volumen de las
partículas gruesas de la segunda fase. Debido a que estas fases
secundarias son a menudo los sitios de nucleación para el daño por fatiga
y la fractura, los niveles de pureza mejorados llevaron a variantes más
tolerantes al daño de las aleaciones conocidas; por ejemplo, la aleación
2024 progresó a 2124, 2224 y, finalmente, 2524.

Las mejoras en la resistencia se lograron mediante mejoras en el

procesamiento termomecánico, incluido todo el procesamiento a
temperatura elevada, desde la descomposición del lingote, el laminado de
placas, el forjado, la extrusión, etc., además del tratamiento térmico final.

Figura 4. Evolución de las mejoras de propiedades en aleaciones

Figura 3. Distribuciones de materiales estructurales utilizados en aviones convencionales de las series 2XXX y 7XXX. Nota: ksi, kilolibras por pulgada
comerciales Boeing seleccionados. cuadrada (1 ksi = 6,9 MPa, 1 ksi in 1/2 = 1,1 MPa m 1/2).

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CONSIDERACIONES SOBRE MATERIALES PARA APLICACIONES AEROESPACIALES
METRO

Sin embargo, el mayor uso de compuestos, que han reemplazado muchas de las Ti­6Al­4V que es formable superplásticamente en láminas y, en menor medida,
aplicaciones del aluminio, ha impulsado a la industria a realizar mejoras de placas utilizando métodos de producción estándar.
propiedades más significativas, lo que ha llevado al desarrollo de aluminio de Otros sistemas de aleaciones requieren químicas o procesos especiales,
tercera generación más competitivo. lo que aumenta los costos, y no tienen la formabilidad del Ti­6Al­4V.
aleaciones de litio.
Las aleaciones de primera y segunda generación tenían mayores contenidos Otro área en estudio es la fabricación aditiva, nuevamente para reducir los
19
de litio, lo que resultó beneficioso en términos de reducción de la densidad. costos de los componentes. (Consulte los artículos de esta edición de
Algunos beneficios potenciales adicionales del litio fueron la mejora de la resistencia, Babu et al. y Bandyopadhyay et al. para obtener más información sobre la
el módulo, la resistencia a la corrosión y la tolerancia a la fatiga y al daño. Sin fabricación aditiva). Tanto los insumos en polvo como los de alambre se están
embargo, no se lograron todos estos beneficios potenciales, y algunos de los evaluando utilizando energía de rayo láser, haz de electrones y arco transferido por
problemas más importantes con estas aleaciones incluyeron baja tenacidad a la plasma. fuentes. Debido a que las existencias de insumos son significativamente
fractura transversal corta, alta anisotropía y desafíos de fundición. más caras que las formas forjadas, los ahorros clave se obtendrían al reducir la
relación compra­vuelo.
Estos problemas fueron superados en gran medida por las aleaciones de Algunos proveedores han estimado que se podrían lograr ahorros de
fuselaje de tercera generación, basadas principalmente en la aleación de aluminio­cobre­. costes bastante significativos utilizando esta tecnología. Sin embargo, un
sistema de litio con menores contenidos de litio, apuntando a mejoras de resistencia desafío serio son las pruebas no destructivas (END) de formas fabricadas
con modestas reducciones en la densidad. La incorporación de niveles menores de aditivamente. Las aplicaciones iniciales probablemente serán para
elementos como plata 16 y zinc mejora tanto la resistencia como la resistencia a la componentes con grandes márgenes de diseño de fatiga y crecimiento de
corrosión de estas aleaciones. Este esfuerzo ha dado como resultado mejoras en grietas. Estos no serían críticos para el vuelo y brindarían a los proveedores
el control de la microestructura mediante procesamiento termomecánico y la oportunidad de demostrar que pueden ofrecer un producto de calidad
tratamiento térmico para proporcionar las mejoras requeridas. Continúan los constante con entregas a tiempo. A medida que avanza el desarrollo, los
avances en esta clase de aleaciones en términos de mayor resistencia, tolerancia a proveedores podrían desarrollar suficientes datos sobre fatiga y END
daños, resistencia a la corrosión y estabilidad térmica con densidad reducida. para brindar a los clientes la confianza que necesitan para considerar
esta tecnología para aplicaciones más críticas. Los estudios actuales
sobre piezas fabricadas aditivamente se centran principalmente en
Ti­6Al­4V.
Desarrollo de las aleaciones de titanio El titanio
y las aleaciones de titanio no se convirtieron en materiales de producción hasta la Otro beneficio potencial de la fabricación aditiva es la oportunidad de variar la
década de 1950, gracias a un importante apoyo gubernamental. composición del material en diferentes ubicaciones dentro de una pieza. Si se
De manera similar al aluminio 2024, Ti­6Al­4V fue una de las primeras requiere una mayor resistencia en un lugar determinado, por ejemplo, pero no es
aleaciones de titanio desarrolladas y sigue siendo la aleación de titanio deseable en toda la pieza debido a la correspondiente pérdida de tenacidad a la
predominante en la industria aeroespacial, debido a su conjunto de fractura, se podría aumentar modestamente el contenido de oxígeno o hierro en ese
propiedades robustas y equilibradas. (Los números en el nombre de la lugar sin cambiar las propiedades en el resto de la pieza. la parte.
aleación indican los porcentajes en peso de cada adición de aleación).
Además, se han desarrollado muchas otras aleaciones de titanio entre las 17 La metalurgia de polvos también ofrece la oportunidad de desarrollar materiales
de que ofrecen una amplia gama de propiedades. Ti­6Al­4V tiene un nivel de resistencias mucho mayores que las posibles utilizando la metalurgia de lingotes.
resistencia máxima en años de 900 MPa con una tenacidad que oscila Muchas de las aleaciones más potentes para mejorar la resistencia son difíciles de
entre 55 MPa∙m 1/2 a más de 100 MPa∙m 1/2
, dependiendo de la fundir debido a problemas de segregación. Sin embargo, esto podría no ser un
temperatura de recocido. Ti­6Al­2Sn­2Zr­2Mo­2Cr usado a un nivel de resistencia problema con los productos en polvo, ya que las partículas de polvo se enfrían con
de aproximadamente 1100 MPa tiene una tenacidad de aproximadamente y bastante rapidez.
100 MPa m 1/2
, Ti­10V­2Fe­3Al a aproximadamente 1240 MPa tiene una En los Estados Unidos, se están buscando mejoras en el desempeño
1/2 .
dureza típica de ~ 55 MPa m En la a través de programas de la Iniciativa de Asequibilidad de Materiales (MAI)
actualidad, la mayor parte del desarrollo de aleaciones para materiales patrocinados por el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea. Se
de fuselajes de aviones se centra en la reducción de costos, y se destinan trata de colaboraciones de investigación con la industria a través de las
relativamente pocos dólares a mejoras de rendimiento. Un esfuerzo que se cuales cada empresa compromete financiación para perseguir objetivos
ha llevado a cabo con éxito en Boeing es el desarrollo de Ti­6Al­4V de comunes. Una de esas iniciativas son las adiciones a aleaciones como
grano fino para permitir una reducción de la temperatura de formación de Ti­6Al­2Sn­4Zr­2Mo y β­21S (Ti­15Mo­3Al­2.7Nb­0.25Si) para mejorar las
superplásticos (SPF) de aproximadamente 110°C a aproximadamente resistencias a temperaturas elevadas y a la fluencia con un aumento
775°C, y una reducción de la temperatura del SPF/enlace de difusión también. concomitante en resistencia a la oxidación.
Las reducciones resultantes de las temperaturas de procesamiento permitidas
tienen varias ventajas significativas, como un gran aumento en la vida útil de la Desarrollo de aleaciones ferrosas En general,
matriz, una disminución en la contaminación de la superficie y una comodidad los aceros ofrecen las mayores resistencias para estructuras metálicas comerciales
mucho mayor para los operadores que deben transferir las hojas dentro y fuera de y abarcan un número limitado de aplicaciones en aeronaves, como trenes de
18
la prensa al momento de realizar el procesamiento. finalización del conformado. aterrizaje, pistas de aletas, componentes y sistemas de actuación. La aleación
El titanio es el único material estructural con una aleación como ferrosa de mayor tonelaje utilizada para

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CONSIDERACIONES SOBRE MATERIALES PARA APLICACIONES AEROESPACIALES
S

Los fuselajes son la aleación 4340M (o 300M), también conocida como Aleaciones de tipo acero inoxidable: (1) Ferrium S53 (AMS 5992) tiene una
acero de baja aleación y alta resistencia (HSLA). Esta aleación se utiliza resistencia a la tracción mínima de 1930 MPa, equivalente a la de 300 M, con
con una resistencia a la tracción mínima de 1930 MPa con una tenacidad de mejor resistencia a la corrosión que esta última aleación.
~ 60 MPa m 1/2 . Esta aleación de acero al cromo­molibdeno se utilizó para la Esta fue la primera aleación diseñada y calificada por ICME que voló (en
mayoría de las estructuras del tren de aterrizaje antes de la década de 1990. diciembre de 2010), cuando se usó en el tren de aterrizaje del avión Northrop
Para los nuevos diseños de aviones comerciales, las aleaciones de β­titanio han T­38. (2) El acero Ferrium M54 (AMS 5616) fue diseñado como un acero de
reemplazado a los aceros en muchas de estas aplicaciones. resistencia ultra alta y alta tenacidad a la fractura (valor mínimo de 110 MPa∙m
1/2
Desde aproximadamente el año 2000, las estructuras del tren de aterrizaje de los aviones de agrietamiento por tensión­corrosión). M54 ) con alta resistencia a
de la Marina de los EE. UU. han tenido que cumplir con una resistencia mínima a la fractura. ha sido calificado por la Marina de los EE. UU. para ganchos críticos para la
de 110 MPa∙m 1/2
. Este requisito dio lugar al desarrollo de AerMet 100 por seguridad. vástagos del entrenador T­45 y está en producción para futuros
22
Carpenter Technology Corporation (Carpenter), que cumple con el requisito de repuestos.
resistencia máxima de 1930 MPa con una tenacidad mínima de 110 MPa m no También se han diseñado dos aceros carburizables de rendimiento ultra alto
1/2. Este
es un acero inoxidable; Tiene características de corrosión similares a para reemplazar al AISI 9310 y la aleación Pyrowear 53 debido a su mayor
las del 300M, pero con una tenacidad mínima aproximadamente el doble que la resistencia, tenacidad, dureza superficial y resistencia a la fatiga y la temperatura.
del 300M. 20 Se utiliza para aplicaciones como el tren de aterrizaje principal en Ferrium C61 (AMS 6517) tiene una resistencia máxima típica de 1655 MPa y está
los cazas F­18, F­22 y F­35 y el gancho de detención en el F­35. Carpenter siendo calificado para los ejes de transmisión de la actualización del helicóptero
también desarrolló AerMet 310, que tiene la capacidad de ser tratado térmicamente Chinook de Boeing, lo que permite una mayor densidad de potencia con la
a más de 2000 MPa, aún con una dureza superior a la de 300M. Aunque las geometría existente. Ferrium C64 (AMS 6509) es una aleación de mayor dureza
mejoras en las propiedades mecánicas mejoraron significativamente el que se está calificando para futuros aceros para engranajes de transmisión de
rendimiento, la falta de propiedades de corrosión del acero inoxidable limitó la helicópteros en el Ejército y la Marina de los EE. UU.
22
aplicabilidad debido a los deseos de los clientes de reducir el mantenimiento.
La utilización de aleaciones a base de níquel en estructuras de aviones
comerciales ha sido mínima; están incluidos en la categoría miscelánea de la
Figura 3. El Inconel 625 se utiliza, principalmente como producto tipo lámina, en
La corrosión es un problema importante para las estructuras de acero de estado recocido con una resistencia a la tracción mínima de 827 MPa a
los trenes de aterrizaje. Aproximadamente cada 7 a 10 años, el tren de aterrizaje temperaturas de aproximadamente 700 °C y, a veces, ligeramente superiores,
debe retirarse del avión y limpiarse. Específicamente, se deben eliminar principalmente para aplicaciones de tapones y boquillas en el área de escape
químicamente los revestimientos de cadmio y cromo y se debe restaurar el tren del motor. . (Esta sección de la aeronave está separada de la unidad de
de aterrizaje para eliminar cualquier óxido o picaduras, después de lo cual se propulsión del motor y contiene, da forma y dirige la columna de escape del
vuelve a ensamblar la pieza. Esto requiere tiempo, esfuerzo y gastos motor). También se utiliza para soportes y conductos de alta temperatura. Inconel
718 se utiliza en estado envejecido y tratado con solución con una resistencia a
considerables, agravados por la pérdida de servicio de la aeronave durante el mantenimiento.
Los aceros inoxidables también se utilizan en las estructuras de los aviones la tracción de 1240 MPa en el área de la góndola a temperaturas de hasta 650 °C.
y su uso ha ido aumentando desde aproximadamente el año 2000 con el desarrollo
de grados de mayor resistencia. Una fuerza impulsora para su desarrollo es el También se utiliza para sujetadores de alta resistencia con resistencias mínimas
interés en ampliar el tiempo necesario entre renovaciones del tren de aterrizaje. a la tracción de 1520 MPa. Las principales formas de productos son láminas,
Estas aleaciones tienen altos contenidos de níquel y cromo, lo que proporciona conductos de alta presión y barras.
una buena resistencia a la corrosión.
Aleaciones como 15­5PH (endurecimiento por precipitación) y PH13­ Desarrollo de compuestos Todos los
8 aleaciones de acero inoxidable proporcionan resistencia a la corrosión, pero su beneficios potenciales del uso de compuestos estructurales como alternativa a
resistencia hasta hace poco se limitaba aproximadamente a 1035– las estructuras metálicas se han logrado en diversos grados, según la experiencia

Rango de 1520 MPa. Carpenter desarrolló Custom 465 como parte de un esfuerzo con materiales compuestos en aeronaves. Sin embargo, hay dos cuestiones
por lograr aceros inoxidables de mayor resistencia que puedan tratarse abiertas que afectan la selección de materiales compuestos: (1) tendencias
térmicamente hasta el nivel de resistencia de 1930 MPa como reemplazo directo generales de costos y (2) mantenibilidad y reparabilidad a largo plazo.
del 4340M. Esto mitigaría el problema de la corrosión y eliminaría la necesidad
de utilizar cadmio no deseado para la protección contra la corrosión. En esta Los primeros compuestos utilizados fueron compuestos de “laminado
etapa, Carpenter's Custom 465 ha sido tratado térmicamente hasta alcanzar húmedo” que impregnaban la fibra seca con resina de poliéster (muy parecido a
resistencias máximas a la tracción de ~ 1655–1795 MPa con el rendimiento de lo que se hace en los barcos). Estas capas húmedas requirieron altos niveles de
un “verdadero” acero inoxidable. Las piezas resultantes han sido utilizadas por habilidad y, una vez mezclada la resina, un proceso de fusión corta. El avión de
los principales fabricantes de aviones de todo el mundo para aplicaciones como largo alcance Boeing Stratocruiser logró un ahorro de peso del 20% respecto a
tubos de torsión, cilindros neumáticos, tirantes, puntales, pasadores fusibles y los conductos metálicos mediante el uso de un compuesto de fibra de vidrio.
orugas de flaps. Carpenter también informa que se han logrado avances en una En 1961 se utilizaron por primera vez los tejidos preimpregnados de los
nueva aleación de acero inoxidable, Custom 565, que puede tratarse térmicamente proveedores (llamados preimpregnados) que proporcionaban un contenido
21
hasta alcanzar un nivel muy cercano al objetivo de 1930 MPa. constante de resina y eliminaban el proceso complicado de la colocación en
Utilizando un enfoque ICME (consulte el artículo en este número de húmedo. El avión B727 utilizaba un compuesto epoxi curado reforzado con fibra
Xiong y Olson), QuesTek Innovations desarrolló dos nuevos de vidrio de primera generación para Radomos y paneles de carenado. El avión B737

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CONSIDERACIONES SOBRE MATERIALES PARA APLICACIONES AEROESPACIALES
METRO

Se utilizó un epoxi de primera generación reforzado con fibra de vidrio de El éxito aquí condujo a la utilización de CFRP para los revestimientos de
curado a 175 °C en las áreas calientes y un epoxi de segunda generación alas, empenaje y fuselaje del B787.
reforzado con fibra de vidrio de curado a 120 °C (endurecido con caucho/ También se están evaluando otros tipos de composites.
autoadhesivo) en radomos, carenados, y paneles de cobertura de la El titanio­grafito es una combinación de lámina de titanio
superficie de control, principalmente con núcleo alveolar. El B747 utilizó (Ti­15V­3Cr­3Al­3Sn) y epoxi de fibra de carbono, que mejora la resistencia
materiales similares en aplicaciones similares a una escala mucho mayor. al impacto y la resistencia al soporte del laminado. Otro compuesto de
La progresión del desarrollo de compuestos en Boeing se muestra en la Figura 5polímero
. y metal reforzado con fibra es una combinación de láminas de
La introducción de fibras de carbono en los aviones comerciales aluminio y fibra de vidrio/epoxi. La fibra de vidrio mejora el rendimiento del
Surgió como resultado de un programa de la NASA (1975­1985) en aluminio en cuanto al crecimiento de grietas (tolerancia al daño).
colaboración con Boeing, McDonnell Douglas y Lockheed, llamado
Programa de Eficiencia Energética de Aeronaves (ACEE), para diseñar y Como regla general, las piezas compuestas son más livianas que sus contrapartes
fabricar piezas de CFRP. Entre las piezas fabricadas a través de este de aluminio, pero históricamente sus costos han sido significativamente más altos.
programa se encuentran los spoilers B737; un ascensor B727; y una caja Una forma de compensar esta desventaja es reducir el número de piezas. Los
de torsión con estabilizador horizontal B737, donde esta última fue la compuestos brindan la capacidad de unir muchas piezas más pequeñas en una
primera estructura primaria fabricada en CFRP por Boeing. La experiencia estructura más monolítica, lo que reduce la cantidad de sujetadores. Si se hace
de servicio para estas piezas fue excelente, con las cajas de torsión del correctamente, el coste de la pieza monolítica resultante es menor que el de fabricar y
estabilizador horizontal todavía en servicio comercial. ensamblar varias piezas para formar una estructura metálica.

El éxito de este esfuerzo llevó a Boeing a emplear CFRP en el avión

B767 utilizando los conceptos desarrollados a través del programa de la
NASA. Los alerones interiores, elevadores y timones utilizaron el mismo Consideraciones sobre los materiales: motores de aviación
material y diseño que el elevador ACEE B727, que utilizó una fibra de Tradicionalmente, las aspas de los ventiladores de los motores de turbina
carbono de módulo estándar con una resina no endurecida a 175 °C se fabricaban de titanio, generalmente Ti­6Al­4V forjado, unido a un disco
cocurada con un núcleo de panal de papel de aramida para fabricar de titanio forjado que también suele ser Ti­6Al­4V. Esta aleación tiene un
revestimientos y largueros con paneles. y costillas que estaban atornilladas entreexcelente
sí. equilibrio de propiedades mecánicas, incluida la resistencia
Los spoilers y alerones externos del B737 fabricados dentro del programa máxima a la tracción, la ductilidad y la resistencia a la fatiga, y puede
de la NASA se fabricaron a partir de fibras de carbono de módulo estándar forjarse, tratarse térmicamente y mecanizarse fácilmente. Los motores de
(220 GPa) basadas en poliacrilonitrilo reforzadas con matrices epóxicas menor diámetro utilizan hojas de titanio sólidas, mientras que los motores
curadas a 120 °C y 175 °C. Esto produjo un núcleo de panal de aluminio de mayor diámetro utilizan hojas de titanio huecas que pueden fabricarse
de profundidad total con capas precuradas unidas de forma secundaria. mediante un proceso de unión por difusión/SPF.
Los motores grandes, que pueden tener aspas de ventilador con
El empenaje y las vigas del piso B777 se fabricaron utilizando longitudes muy superiores a 1 m, pueden fabricarse a partir de compuestos
preimpregnaciones de fibra de carbono de módulo intermedio (290 GPa) de matriz polimérica (PMC), generalmente fibra de carbono en una matriz
para la estructura primaria. Además del módulo más alto, estos epoxi endurecida. Estas palas compuestas, como las del motor GE90 de
preimpregnados tenían una resistencia al impacto significativamente mejor. General Electric (que impulsa los modelos B777 hasta el B777X), el motor
GEnx (que impulsa el B787) y el motor GE9x (que impulsa el B777X), son
livianas y rígidas y exhiben una fatiga superior. vida. 23 Las palas PMC
suelen tener un borde de ataque adherido de Ti­6Al­4V o acero para
permitir que la pala soporte un evento de ingestión de aves sin fallas
catastróficas.
A veces se emplean aleaciones de titanio de mayor resistencia para los
discos de ventilador si se desea una mayor capacidad de fatiga o se
esperan temperaturas de aire de entrada más altas. En estos casos, se
consideran aleaciones como Ti­6Al­2Mn­4Zr­2Sn aunque son más pesadas
y más difíciles de procesar debido a su química compleja y mayor
resistencia. Las carcasas de los ventiladores se fabrican normalmente
con aluminio fundido 2219 o acero inoxidable, pero los motores más
recientes han empleado carcasas de ventilador PMC para ahorrar peso,
mayor rigidez y resistencia a la corrosión. El compresor de baja presión
también utiliza aleaciones de titanio para superficies aerodinámicas y
Figura 5. Cronología del desarrollo de compuestos en aviones discos, incluido el caballo de batalla Ti­6Al­4V.
Boeing. Nota: CFRP, polímero reforzado con fibra de carbono; GRP, La parte trasera del compresor de alta presión funciona más allá de la
plástico reforzado con vidrio; ACEE, Eficiencia Energética de las
capacidad de temperatura de las aleaciones de titanio y, por lo tanto, se
Aeronaves; B, Boeing; DC, Comercial de Douglas; Doctor en Medicina,
McDonnell Douglas; NG, Próxima Generación. emplean superaleaciones a base de níquel, aunque las aleaciones de
titanio de mayor resistencia y capacidad de temperatura más alta, como

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CONSIDERACIONES SOBRE MATERIALES PARA APLICACIONES AEROESPACIALES
S

como Ti­17 y Ti­6Al­2Mn­4Zr­2Sn (Ti­6­2­4­2) se utilizan para las primeras ahorro de peso sin detrimento de las propiedades; Una parte del ahorro de
etapas delanteras más frías. Las temperaturas en la etapa trasera del peso se debe al disco de menor tamaño necesario para soportar el peso de las
compresor de alta presión en un motor moderno con una relación de palas. 30 Los discos y la carcasa suelen ser una superaleación de níquel,
compresión alta puede requerir superaleaciones fundidas para resistencia a la como la aleación 718 o Waspaloy.
fluencia y discos de superaleación en polvo para resistencia a la fatiga y De cara al futuro, la necesidad de materiales y procesos mejorados que
fluencia a altas temperaturas. 24 permitan mayores desarrollos en los sistemas de propulsión continuará sin
La carcasa exterior de la cámara de combustión debe resistir altas cesar, siendo imperativo reducir el tiempo para desarrollar, calificar e
temperaturas y altas presiones provenientes de la combustión de combustible implementar la mejora. Los plazos típicos para desarrollar y calificar un nuevo
para aviones. Por lo general, se produce a partir de una superaleación a base material tienen Los ingenieros de diseño pueden concebir un diseño y analizarlo
31
de níquel, como la aleación 718 o Waspaloy, para aplicaciones de mayor temperatura.
sido del orden de 10 a 20 años o más. en cuestión de
Estas cajas suelen estar laminadas en anillos para darles mayor resistencia. semanas; la comunidad de materiales ha tardado años en realizar tareas
El revestimiento interior, que es un escudo para proteger la carcasa del similares en su área de tecnología.
32
contacto directo con la llama de combustión, generalmente está hecho de
material de lámina de cobalto como HS188 o superaleación a base de níquel Los modelos computacionales han sido herramientas importantes para
como Hastelloy X. Se han realizado trabajos de desarrollo para producir el acortar el tiempo de desarrollo porque, empleados adecuadamente, pueden
revestimiento está hecho de compuesto de matriz cerámica (CMC) de SiC/SiC, estimar las propiedades de los materiales y ayudar en el desarrollo de rutas
pero recién ahora se comercializa. Las nuevas aleaciones de cobalto reforzadas óptimas de procesamiento de materiales. Se ha producido un aumento
por precipitación han demostrado potencial, pero aún no se han ampliado ni exponencial en el uso de herramientas de modelado en la comunidad de
comercializado, y aún se está determinando la química óptima. materiales aeroespaciales para materiales metálicos, 33 con herramientas que
han evolucionado desde un uso independiente para problemas específicos
La turbina de alta presión (HPT), que se encuentra inmediatamente detrás hasta un uso proactivo para ayudar a programas de desarrollo acelerado. Se
de la cámara de combustión, tiene la temperatura más alta en el recorrido del está realizando un esfuerzo similar con los materiales compuestos.
gas en su primera etapa. La temperatura en los motores a reacción modernos Como ejemplo de lo que es posible, GE Aviation desarrolló con éxito una
puede oscilar entre 1350 y 1450 °C o más; estas temperaturas se aproximan aleación a base de níquel con bajo contenido de renio para una aleación
o superan el punto de fusión incipiente de las superaleaciones a base de níquel monocristalina de álabes de turbina en dos años, desde el arranque hasta la
utilizadas para las boquillas y aspas del HPT. Por lo tanto, estos componentes calificación completa del motor, frente a los cuatro a seis años que normalmente
se enfrían internamente con aire que se purga desde una etapa intermedia del se requieren. para modificar la química de una aleación existente. Las
compresor. También tienen una fina capa aislante de un revestimiento de herramientas de modelado que respaldaron los esfuerzos de investigación y
33
barrera térmica (TBC), normalmente circonio estabilizado con itrio. desarrollo fueron un factor importante en este programa acelerado.
Las direcciones futuras en ciberinfraestructura deberían incluir (a) pruebas
Este TBC se aplica sobre una capa protectora contra la oxidación, tal de calificación que incorporen una comprensión del comportamiento de un
como MCrAlY (donde M puede ser uno o más de los elementos hierro, material de modo que sea necesario realizar menos pruebas; (b) herramientas
níquel y cobalto), un recubrimiento de aluminuro de níquel o un de cibermodelado que realizan sin problemas análisis de múltiples escalas y
recubrimiento de aluminuro de platino. (Véase también el artículo de múltiples fenómenos; y (c) una ciberinfraestructura que respalde el ecosistema
Clarke et al. en la edición de octubre de .25 ) de materiales, incluido un repositorio de modelos, almacenamiento y
2012 de MRS Bulletin. Los perfiles aerodinámicos se moldean como recuperación de bases de datos, control de acceso para grupos colaboradores
una microestructura solidificada direccional (con granos alineados y herramientas de visualización de datos.
paralelos al eje longitudinal de la pala) o, más comúnmente en los modelos
26
modernos. motores, como monocristales, para impartir la máxima resistencia Otras
a la consideraciones
rotura por tensión. sobre materiales Ciertas
Las cubiertas que rodean las puntas de las palas HPT se han fabricado con otras consideraciones, que los ingenieros inexpertos tal vez no conozcan,
superaleaciones monocristalinas a base de níquel, pero desarrollos recientes pueden tener un impacto significativo en la funcionalidad. Por ejemplo,
han demostrado que SiC/SiC CMC ofrecería ventajas en términos de ahorro las aleaciones de aluminio y los aceros de baja aleación son activos en la
de peso (un tercio de la densidad del níquel), mayor temperatura de serie galvánica, mientras que las aleaciones a base de titanio y níquel y
funcionamiento y mayor durabilidad. los aceros inoxidables son nobles. Si un material activo entra en contacto
27 Estas cubiertas CMC se están calificando actualmente para el motor con un material noble en presencia de humedad, se iniciará una celda de
LEAP de GE, el motor sucesor del CFM56. 28 El disco de la primera etapa del corrosión galvánica, corroyéndose el material activo. Las aleaciones a
HPT generalmente está hecho de una superaleación en polvo a base de níquel base de titanio y níquel y los aceros inoxidables no crean un problema de
para proporcionar la mayor resistencia a la temperatura de funcionamiento. corrosión cuando entran en contacto entre sí en presencia de humedad,
Estos materiales son tan fuertes que deben forjarse isotérmicamente con una aunque pueden producirse picaduras localizadas en determinadas
29
tasa de deformación superplástica baja. circunstancias.
Las palas de la turbina de baja presión (LPT) suelen ser piezas fundidas La corrosión no era un problema complejo de manejar en el pasado,
de superaleación a base de níquel. En los motores más nuevos, como los porque una capa de imprimación o imprimación y una capa superior en cada
motores GEnx y LEAP, las etapas traseras del LPT se pueden fundir con material a menudo resolvían el problema. Sin embargo, las nuevas regulaciones
aluminuro de γ­titanio, Ti­48Al­2Nb­2Cr, porque este material, con la mitad de que limitan el uso de recubrimientos que contienen cromo hexavalente
densidad que el níquel, ofrece importantes ventajas. aumentarán el desafío de mitigar la corrosión.

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CONSIDERACIONES SOBRE MATERIALES PARA APLICACIONES AEROESPACIALES
METRO

El contacto con fibras de carbono en compuestos CFRP, aleaciones de agallas de titanio muy fácilmente. Se debe utilizar algún tipo de lubricante o
aluminio y aceros de baja aleación es un problema aún más importante, ya que recubrimiento para eliminar este problema.
el contacto directo con las fibras de carbono en un ambiente húmedo puede El mayor uso de compuestos CFRP ha desempeñado un papel clave en el
generar una célula de corrosión muy activa. En este caso una buena solución uso del titanio. El hecho de que el titanio tenga un coeficiente bajo
es separar el metal del CFRP con una capa de fibra de vidrio. Tiene una gran capacidad de expansión térmica y es compatible con las fibras
de grafito del compuesto en presencia de humedad, junto con su baja densidad
Con respecto a las aleaciones de aluminio, aunque las aleaciones 2XXX y y alta resistencia, lo convierten en un material ideal para interconectar con
7XXX de mayor resistencia no son soldables por fusión, sí lo son mediante compuestos.
soldadura por fricción­agitación de estado sólido. Cuando se requiere soldadura El acero HSLA debe tener un revestimiento resistente a la corrosión para
por fusión, generalmente se utilizan aleaciones de la serie 6XXX, aunque minimizar la corrosión cuando no se trabaja en él. La temperatura máxima de
soldarlas todavía no es necesariamente fácil. A menos que la resistencia sea uso debe ser inferior a aproximadamente 290 °C o puede producirse un
crítica y la corrosión no sea una preocupación, las aleaciones se utilizan en una envejecimiento excesivo. Estos materiales se mecanizan fácilmente, excepto
condición sobreenvejecida (T7), a diferencia de una edad T6 de temperamento las aleaciones de mayor resistencia, en el rango de 1930 MPa. La mayor parte
máximo. Las aleaciones de aluminio no se utilizan a temperaturas muy altas, ya del mecanizado se realiza antes del tratamiento térmico final. Una vez realizado
que envejecerán demasiado. Los 2XXX T3­ y T4­ el envejecimiento final y el material en plena resistencia, el mecanizado debe
Las aleaciones tipo y 7XXX generalmente deben limitarse a ~90°C. realizarse con mucho cuidado para evitar el calentamiento y la formación de
Los templados 2XXX­T6 o ­T8 podrían considerarse hasta ~175°C. Las martensita sin templar, que es muy quebradiza. Cuando los aceros HSLA se
aleaciones de la serie 2X19 se pueden utilizar a temperaturas superiores a croman para resistir el desgaste, existe la posibilidad de que se vuelvan
~175°C. Las aleaciones de aluminio, cobre y litio pueden proporcionar algunas quebradizos por hidrógeno.
ventajas en las propiedades hasta esta temperatura. El material recubierto debe hornearse a 175 °C para expulsar el hidrógeno si se
Las aleaciones de titanio tienen una excelente resistencia a la corrosión produce una captación: sólo se necesitan unas pocas partes por millón de
para aplicaciones aeroespaciales. Tienen una superficie de óxido muy delgada hidrógeno para crear un problema. Una muestra con muescas se mantendrá
y resistente que proporciona esta resistencia a la corrosión. Sin embargo, puede bajo carga después del horneado para garantizar que no se produzca fragilización.

producirse corrosión/fragilización por hidrógeno si el fluido hidráulico caliente de

los aviones comerciales entra en contacto con el titanio.

El problema se debe a un aditivo utilizado en aviones comerciales para elevar Conclusiones La

el punto de inflamación del fluido hidráulico; Los aviones militares no utilizan selección de materiales y procesos de fuselaje es una tarea compleja que
este aditivo, por lo que no encuentran este problema. requiere un equilibrio entre innumerables requisitos de diseño, confiabilidad y
La acumulación de hidrógeno puede ocurrir a temperaturas superiores a ~130°C. mantenibilidad. Los diseñadores, en colaboración con los fabricantes y los
Por lo tanto, la mayoría de las aleaciones de titanio no se utilizan en áreas de fabricantes de piezas, deben examinar minuciosamente la calidad y la
posibles fugas de fluido hidráulico en estructuras calientes, como puntales, a fabricabilidad de los materiales para garantizar que el diseño se pueda lograr a
menos que puedan protegerse. La excepción es el β­21S, que es la única un costo razonable.
aleación de titanio utilizada en la industria aeroespacial que no se ve afectada En última instancia, la calidad y el costo del diseño y la construcción son factores
por este problema. críticos a la luz de la tremenda competencia global en la industria de la aviación.
Las aleaciones de titanio se utilizan desde temperaturas bajo cero hasta
aproximadamente 600 °C. El titanio es único en el sentido de que algunas Los materiales para aplicaciones de aeropropulsión también deben cumplir
aleaciones en láminas, como Ti­6Al­4V, se pueden formar superplásticamente exigentes requisitos de propiedad y también demostrar una alta confiabilidad
mediante procedimientos de fabricación estándar. Para los otros sistemas de en un entorno operativo severo.
aleaciones, se han desarrollado aleaciones o procesos especiales para permitir Esto requiere una comprensión detallada de la forma en que un material
esta capacidad, pero no pueden lograr los mismos alargamientos observados responde a diversos mecanismos de degradación que se encuentran en servicio,
con la lámina de Ti­6Al­4V. así como el conocimiento de las variaciones en las propiedades del material
Las aleaciones de titanio son generalmente difíciles de mecanizar y cuestan que resultan de los defectos introducidos durante el procesamiento.
aproximadamente 10 veces más que el mecanizado de aleaciones de aluminio.
Se requieren máquinas rígidas con gran potencia. Las cuchillas deben Existe una necesidad de mejora continua en los materiales para respaldar
mantenerse afiladas: su vida útil suele medirse en minutos, a diferencia de los diseños de fuselajes y motores avanzados, con la expectativa de que la
horas para el aluminio. Es muy difícil rectificar titanio sin inducir altas tensiones comunidad de materiales pueda acortar significativamente el tiempo de
residuales en las piezas, que son perjudiciales para el rendimiento ante la fatiga. desarrollo e implementación sin aumentar el riesgo de desarrollo aprovechando
El lijado también debe hacerse con cuidado. Durante el lijado se pueden producir las herramientas computacionales.
grandes chispas. Esto debe minimizarse porque, si una o más chispas calientes
caen sobre el titanio, se vuelven a unir y se contaminan con elementos
intersticiales, lo que también produce una importante carga de fatiga. También Agradecimientos Los autores
se debe tener cuidado con respecto al movimiento de una superficie de contacto reconocen los esfuerzos significativos de varias partes para este artículo.
contra el titanio, porque Agradecemos a los Dres. J. Grabowski y A. Asphahani de QuesTek Innovations
por su ayuda con las aleaciones de acero, Tim Armstrong y Mike Schmidt

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CONSIDERACIONES SOBRE MATERIALES PARA APLICACIONES AEROESPACIALES
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