Apunte de Aluminio y titanio PDF

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Universidad Nacional de La Plata Facultad de Ingeniería Departamento de Aeronáutica Materiales Aeronáuticos Aleaciones no ferrosas: El aluminio aleado y el titanio aleado, sus aplicaciones en aeronáutica Introducción: Este apunte tiene como fin afianzar algunos conceptos (designaciones, tratamientos térmicos, usos, etc) del aluminio aleado y del titanio aleado. Se profundizará, particularmente, en aquellas aleaciones aplicables en la industria aeronáutica y espacial. Características físicas del aluminio puro y algunos conceptos sobre sus aleaciones El mineral del que se extrae el aluminio, casi exclusivamente, se llama bauxita. Las bauxitas son productos de erosión, ricos en aluminio (del 20% al 30% en masa), procedentes de rocas madres silicatoalumínicas. Mediante el proceso Bayer, inventado por Karl Bayer en 1889, se produce alúmina a partir de la bauxita. El proceso, básicamente, comienza con un lavado de la bauxita molida con una solución de soda cáustica a alta presión y temperatura. Los minerales de aluminio se disuelven mientras que los otros componentes de la bauxita, principalmente sílice, óxidos de hierro y titanio permanecen sólidos y se depositan en el fondo de un decantador de donde son retirados. A continuación se recristaliza el hidróxido de aluminio de la solución y se calcina a más de 900 °C para producir una alúmina (óxido de aluminio, Al2O3) de alta calidad. El óxido de aluminio se disuelve en un baño fundido de criolita (Na3AlF6) y se electroliza en una celda electrolítica usando ánodos y cátodo de carbono. Se realiza de esta manera, ya que la alúmina proveniente del proceso Bayer tiene un punto de fusión extremadamente alto (por encima de los 2.000 °C), muy caro y difícil de alcanzar en la práctica industrial. La mezcla con la criolita da una mezcla eutéctica, que logra bajar el punto de fusión a alrededor de los 900 °C. Por esta razón el consumo energético que se utiliza para obtener aluminio es muy elevado y lo convierte en uno de los metales más caros de obtener, ya que es necesario gastar entre 17 y 20 kWh por cada kilo de metal de aluminio. De estos baños se obtiene aluminio metálico en estado líquido con una pureza entre un 99,5 y un 99,9%, quedando trazas de hierro y silicio como impurezas principales. El aluminio puro (99% de pureza o mayor) en estado metálico presenta una superficie relativamente lustrosa y de color plateado. Su estructura cristalina es cúbicas caras centradas, de aquí la abundancia de planos de deslizamiento que lo hacen muy maleable y dúctil. Este material es un buen conductor de la electricidad y del calor, provee una buena superficie reflectora, es resistente a la corrosión y es liviano si se lo compara con los materiales ferrosos (como el acero) o con la mayoría de los materiales estructurales. Como punto de comparación la densidad es, aproximadamente, de 2,7 gr/cm3 mientras que la del hierro es de 7,8 gr/cm3, es decir 2,9 veces más liviano que éste último. La relativamente baja resistencia a la tracción del aluminio puro es una de sus mayores desventajas, ésta es del orden de los 6,32 kg/mm2 y puede ser mejorada (al doble) por medio de endurecimiento mecánico que es la única manera de mejorar las características mecánicas ya que no responde a los tratamientos térmicos. Este nivel de resistencia es muy bajo para las aplicaciones en ingeniería.

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La metodología utilizada para mejorar la resistencia a la tracción (particularmente) del aluminio, incrementarla bastante sin reducir demasiado otras propiedades deseables tales como la ductilidad y el peso, es aleándolo con uno o más metales o metaloides. Las aleaciones que logran mayor resistencia que el aluminio puro se dividen en dos clases: a) Aquellas que responden tanto al endurecimiento por trabajo en frío y tratamientos térmicos o a ambos por separado. b) aquellas que pueden ser endurecidos por trabajo en frío (deformación a temperatura ambiente). Designación de las aleaciones de aluminio Los productos de aluminio puro y sus aleaciones (todos aquellos productos no fundidos) poseen designación de acuerdo con la norma H35.1 de la American Nacional Standard Institute (ANSI), mientras que las aleaciones fundidas se codifican de acuerdo con la norma ASTM B275, ambas emitidas por EEUU. Estas designaciones son internacionales aunque hay países que poseen su propia designación. En la tabla Nº 1 puede observarse las designaciones de las aleaciones de aluminio (series) agrupados por el principal elemento aleante. Principal Aleante 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 --------------------------En la tabla anterior el primer dígito indica el grupo de la aleación (principal aleante) y, se ha reservado el 1, para el aluminio de 99% de pureza. Para este caso particular los dos últimos dígitos indican el mínimo porcentaje de aluminio en el orden de los centésimos. Es decir estos son los dos números a la derecha de la coma del mínimo porcentaje de aluminio expresado en enteros y centésimos (por ejemplo 1030 indica 99,30 de aluminio puro). El segundo dígito indica las modificaciones al límite de impurezas. Si es cero (0) indica que no tiene especial control. Del 1 al 9 indican especiales controles de las impurezas. Las principales impurezas son el hierro y el silicio. Para el caso de las aleaciones de aluminio, el segundo dígito es un número que va del 0 al 9, si es cero se trata de la aleación original. Los números del 1 al 9 están asignados consecutivamente indicando las modificaciones de la aleación. Las últimas dos cifras no tienen especial significado pero sirven para identificar las diferencias de las aleaciones de aluminio en el grupo. Si en la designación vista apareciera una equis (X), esto indicaría que se trata de una aleación experimental.

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Aportes de los elementos aleantes 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.

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

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Hierro (Fe). Incrementa la resistencia mecánica.

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

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

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

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Titanio (Ti). Aumenta la resistencia mecánica.

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

Las principales series utilizadas en la industria aeroespacial son la 2XXX, 6XXX y 7XXX aunque suelen ser utilizadas algunas otras como la serie 5XXX. Veamos algunas características de estas series: 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%. Para obtener mejores propiedades mecánicas estas aleaciones son bonificadas (tratamiento térmico de solución y templado) logrando propiedades que exceden a aquellas de los llamados aceros de bajo carbono o dulces. En muchas ocasiones, y para aumentar aún más las propiedades mecánicas, se realiza un envejecimiento artificial o endurecimiento por precipitación para incrementarlas perdiendo elongación y resistencia a la corrosión dando lugar a la corrosión intercristalina. Para ejemplificar esto haremos referencia a una de las aleaciones más utilizadas en aeron áutica, la aleación 2024, la cual cuando es tratada como se mencionó anteriormente (luego del endurecimiento por precipitación) genera corrosión intergranular debido a que las partículas que precipitan no son de cobre puro sino de una aleación de cobre aluminio (Cu Al2). Estas partículas se forman en los límites de grano dando lugar a la corrosión íntergranular. Esto significa que en la vecindad inmediata de estas partículas el metal circundante esté agotado de cobre o tenga menos de este material que en el resto de la aleación. Las partículas de CuAl 2 actúan como si fueran catodos (polo negativo de una batería). Las áreas circundantes de aluminio más puro se comportan como ánodos (los polos positivos). Lo único que se requiere para descargar la acción del flujo eléctrico es un electrolito (como el agua o la humedad), a partir de la existencia de un medio adecuado se genera una ¨pila eléctrica¨ dentro de la aleación, cuando esto ocurre las zonas de aluminio (ánodo) más puro son corroídas (corrosión galvánica). Este proceso continúa a lo largo del tamaño de grano llegando a producir la falla del material. 3 / 14

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Para evitar la corrosión intergranular se procede a utilizar las buenas propiedades de resistencia a la corrosión del aluminio puro o de la aleación de la serie 6000 (Mg-Si). Con estos materiales se realiza un revestimiento muy delgado sobre la superficie de la aleación base (2024) con el fin de protegerla de un potencial electrolito como, por ejemplo, la humedad. A este proceso se lo denomina ¨cladding¨. A partir de la característica de alta resistencia a la corrosión que posee el aluminio puro, se ha desarrollado el proceso mencionado de fabricación que permite producir una chapa conformada por tres superficies, una interna de aleación de aluminio y dos externas (inferior y superior) de aluminio puro las cuales están integradas al aluminio aleado. Este producto se obtiene vertiendo el aluminio aleado, en forma fluida, en un molde que posee chapas delgadas de aluminio puro, luego es rolado y convertido en chapas. Los espesores de recubrimiento de aluminio puro que se logran mediante este proceso son del orden del 5,5 % del espesor total de la chapa obtenida, vale mencionar que los espesores del recubrimiento son muy uniformes. El producto, después de ser rolado, es tratado térmicamente durante unos 10 o 15 minutos, durante este tiempo la aleación y la cobertura de aluminio puro se convierten en una solución sólida. A este producto se lo llama ALCLAD (AL: aluminio puro, CLAD: recubrimiento). Se han realizados diferentes experiencias con el objeto de evaluar las características de una aleación de aluminio con ALCLAD, una de ellas consistió en, primero, someter a probetas para ensayos de tracción a un ensayo de niebla salina durante un periodo de 18 meses; transcurrido ese tiempo se las ensayo a tracción determinándose que no hubo perdida de la resistencia a la tracción ni de elongación porcentual respecto a las probetas no sometidas a niebla salina. Las aleaciones de aluminio de las series 2XXX, como el 2024T3 ALCLAD, 2224, 2324 y 2524 (ambas versiones modificadas de la 2224) son utilizadas muy comúnmente en secciones o componentes de aeronaves sometidas a niveles elevados de tensión, cargas alternas, entre otros. Suelen ser utilizadas en componentes estructurales como el recubrimiento de alas (intrados) y fuselajes (como los de aeronaves de aviación general y de transporte). Las aleaciones de esta serie tienen las particularidad de tener una baja velocidad de propagación de fisuras (crack growth) que la lleva a tener mejor comportamiento o desempeño a fatiga que las aleaciones de aluminio de la serie 7XXX. Se conforman como chapas, perfiles extrudados, piezas forjadas, entre otros. Serie 7XXX El 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 ya que se tiene el mayor potencial de endurecimiento por precipitación (de las aleaciones de aluminio). A estas aleaciones suelen agregárseles cobre y cromo en pequeñas cantidades con el fin de mejorar sus características mecánicas, aunque el cobre a menudo se añade para mejorar la resistencia a la corrosión bajo tensión (con el inconveniente de reducir la capacidad de soldadura). Además de utilizar cobre para minimizar la corrosión bajo tensión se utiliza la relación entre el Zn/Mg, un aumento de esta relación disminuye la resistencia a la corrosión bajo tensión, este fenómeno ha sido el principal causante en la restricción del uso de estas aleaciones. A modo de ejemplificar, la aleación más conocida y utilizada en aeronáutica, es la 7075. Esta tiene alta resistencia mecánica, buenas propiedades mecánicas a la fatiga y es utilizada en elementos estructurales sometidos a altas solicitaciones como estructuras de fuselaje, recubrimientos de alas, etc. Se les realiza tratamientos térmicos de solución y envejecido artificialmente (T6) para mejorara las propiedades mecánicas. Esta aleación tiene la 4 / 14

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particularidad de seguir precipitando naturalmente, mejorando las propiedades mecánicas en el tiempo. En el cuadro siguiente puede observarse la composición química de las aleaciones comúnmente utilizadas en la industria aeronáutica.

Serie 6XXX Las aleaciones de esta serie están compuestas por silicio y magnesio en proporciones tales de obtener silicato de magnesio, lo cual lo hace tratable térmicamente. Las resistencias mecánicas se mejoran con los tratamientos térmicos. Una de las aleaciones de esta serie utilizada en aeronáutica (particularmente en la experimental) es la 6061 a la cual se le realiza, normalmente, un tratamiento térmico de solución y envejecido natural (T4) y hasta un tratamiento térmico de solución con envejecimiento artificial (T6). Se logran resistencias mecánicas menores comparadas con las que se podrían obtener con las aleaciones de las series 2XXX o 7XXX, posee buena resistencia a la corrosión, buena formabilidad y buena capacidad para ser mecanizada. La aleación 6016 T6 es utilizada en estructuras tubulares en la mayoría de las aeronaves experimentales como ultralivianos y aeronaves semejantes. Serie 5XXX En esta aleación el elemento dominante es el magnesio que es uno de los constituyentes más ampliamente usado y efectivos en los llamados ¨duroaluminio¨. Cuando la aleación posee grandes cantidades de otros elementos aleantes el efecto del magnesio es de moderador a alta resistencia. Esta es una aleación no tratable térmicamente. El magnesio es considerado más efectivo que el manganeso cuando se pretende aumentar la dureza del material, como ejemplo 0,8% de magnesio equivalen a 1,25% de manganeso, además el magnesio puede ser utilizado en mayores proporciones. Esta serie admite endurecimiento por deformación lográndose buenas resistencias mecánicas. Tiene buena resistencia a la corrosión cuando es sometido a la atmósfera y posee buena característica de soldabilidad. Como desventaja podemos mencionar su susceptibilidad a la corrosión bajo tensión. Breve descripción de los principales tratamientos térmicos utilizados en las aleaciones aplicadas en la industria aeronáutica

El templado son procesos térmicos que aumentan la resistencia de ciertas aleaciones de aluminio. Hay dos proceso de temple que son el tratamiento térmico de solución y el templado con posterior envejecimiento para aquellas aleaciones tratables térmicamente.

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La designación de los temples se utiliza para todas las formas, elaborados o fundiciones, excepto los lingotes. Los temples básicos son designados por la letra O (recristalizacion, temple para materiales forjados), W, H y T; las subdivisiones del temple básico son indicadas por uno o más números El sistema consiste en agregarle, a continuación de la aleación, la letra correspondiente seguida de una, dos o tres cifras. Los temples más comúnmente utilizados en aeronáutica son los T (aplicables a las aleaciones tratables térmicamente estables, TT), mientras que las H son aplicables a aquellas aleaciones no TT de poco uso en aeronáutica. Como fue mencionado anteriormente, el bonificado de las aleaciones de aluminio consta de dos etapas, pudiendo tener una tercera que es la maduración o envejecimiento. Las dos etapas son el tratamiento térmico de solución (W) o solubilización y el templado. La primera consiste en calentar a los componentes a temperaturas de 430 y 550º C, manteniéndolas para diluir los aleantes en el aluminio, y al enfriar la aleación se obtienen temples inestables. Son aplicables a aquellas aleaciones que envejecen espontáneamente a temperatura ambiente luego de ser realizado este tratamiento (por ejemplo serie 7000). La segunda etapa es el templado que se realiza llevando a la aleación hasta una temperatura superior a la ambiente pero inferior a la de solubilización y luego enfriando bruscamente el material hasta temperatura ambiente, esto permite lograr temples más estables y se aplican a productos tratables térmicamente con o sin endurecimiento suplementario por deformación. Para aumentar aun más las propiedades, a partir de temples estables, se suele realizar endurecimiento por precipitado o envejecido que consisten en la precipitación de pequeñas partículas de material de la aleación, ya sea a temperatura ambiente (maduración natural) o a temperatura controlada (maduración artificial). Estos tratamientos se indican con la letra T seguida de uno o dos dígitos (T1 a T10), estos dígitos están relacionados por el tipo de envejecimiento o maduración. Veamos un ejemplo para una aleación de aluminio de la serie 6000 (perfil) extrudado al que se le aplica un temple T5. Este se consigue mediante envejecimiento de los perfiles que pasan a los hornos de maduración los cuales mantienen una temperatura durante un tiempo dado, normalmente 185 °C durante 240 minutos para las aleaciones de la familia 6060. De esta forma se consigue la precipitación del silicio con el magnesio en forma de siliciuro de magnesio (SiMg2) dentro de las dentritas de aluminio, produciéndose así el temple T5 del material. Posteriormente el temple es medido con durómetros. Los tratamientos térmicos más comúnmente utilizados en las series 2000, 6000 y 7000 para uso aeronáutico son los siguientes: T3: Tratamiento térmico de solución, temple, trabajado en frío y envejecimiento natural. Con el tratamiento de estirado se llevan al límite las propiedades mecánicas. T6: Tratamiento térmico de solución, temple y luego envejecido artificialmente. Se pueden añadir uno o más dígitos desde T1 a T9 para indicar variaciones del temple, indicamos a continuación las más aplicadas en aeronáutica. T351

Tratamiento térmico de solución, estirado controlado para aliviar tensiones La aleación de aluminio no recibe ningún enderezamiento adicional tras e estirado. Se aplica a chapas, varillas y barras laminadas o terminadas en frío forjados a estampa o en prensa de productos anulares y anillos laminados sin soldadura. 6 / 14

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T3510

Tratamiento térmico de solución, estirado controlado para aliviar tensiones y envejecido naturalmente. El aluminio no recibe ningún enderezamiento adicional tras el estirado. Se aplica a varillas, barras, perfiles y tubos extruidos y tubos estirados.

T3511

Como el T3510, pero también se refiere a productos que podrían recibir un leve enderezamiento tras el estirado para cumplir con las tolerancias estándar

T352

Se aplica a productos ...