Materiales para la Aviación

1. Materiales para la Aviación Luís Arévalo Nogales Álvaro García González Guillermo Hernández Gil Iván Molina Ramos

2. Índice Introducción histórica Propiedades - Propiedades necesarias. - Criterios de selección. 3. Materiales principales - Aleaciones metálicas: - Aceros. - Níquel - Aluminio. - Titanio. - Superaleaciones. - Materiales cerámicos. Distribución de materiales Bibliografía

3. Introducción histórica • Historia de la aviación • S. XVIII: Globos aerostáticos. • S. XIX: Dirigibles. • S. XX: Hermanos Wright (aviones de hélice). • 2ª G.M: Aviones a reacción. • Evolución de materiales • Maderas y telas. • Aceros y aluminio. • Titanio y superaleaciones. • Materiales cerámicos (composites).

4. Propiedades Tracción/Fatiga vs. Creep, estabilidad de los materiales Tradicionalmente, los diseños se basaban en dos tipos de comportamiento de los materiales: 1. Ante cargas estáticas (TRACCIÓN, E) 2. Ante cargas cíclicas fatiga (LCF) E suts sy

5. Propiedades Actualmente, además de lo anterior, hay que considerar el aspecto de la fluencia lenta: CREEP • Deformación que sufre un material cuando le es aplicado un esfuerzo constante, que depende de la gradualidad con la que se le aplican las cargas así como de la estabilidad del material en términos de corrosión y en términos generales de la estabilidad químico-microstructural, es decir: • Tamaño de grano • Composición de la junta de grano

6. Propiedades • Otros factores que determinan la resistencia a la fluencia de un material son los siguientes: • Existe un rango de temperaturas en las que el Creep prepondera  T • Hay que determinar la velocidad de aplicación de las cargas; si son estáticas, progresivas o cíclicas  ε • El Creep es un proceso de deformación en el que la viscosidad tiene mucho que decir, por lo que hay que estudiar los problemas termomecánicos. . ¿e? ¿T?

7. Propiedades ¿D? El fenómeno de Creep se ve altamente influenciado por amicroestructura, tamaño de grano D. Una microestructura con un grano mayor retarda la activación del Creep; es decir, requieriendose de temperaturas más elevadas para que se produzca. La optimización de las propiedades (y por tanto la ingeniería de componentes) sólo se puede abordar mediante un control adecuado sobre la microestructura.

8. Propiedades

9. Propiedades

10. Criterios de selección • Cumplir con los requisitos técnicos de esfuerzos y cargas a soportar, manteniendo las características aerodinámicas. • Tener la menor densidad posible, reduciendo el peso. • Facilitar la producción. • Que sea barato.

11. Criterios de selección

12. Criterios de selección

13. Principales Materiales Acero: • Tipos: • a) Aceros al Carbono • b) Aceros de Baja Aleación (AISI) • c) Aceros de Media Aleación • d) Aceros de Alta Aleación • - Austeníticos • - Martensíticos • e) Aceros de Endurecimiento por Precipitación

14. Principales Materiales Aluminio: Tipos: a) Familia 1000. Al 99.00% puro b) Familia 2000. Al-Cu c) Familia 3000. Al-Mn d) Familia 4000. Al-Si e) Familia 5000. Al-Mg f) Familia 6000. Al-Mg-Si g) Familia 7000. Al-Zn h) Familias 8000 y 9000. Otros (poca utilización)

15. Principales Materiales Titanio Tipos: a) Titanio NO aleado (CP commercially pure) b) Titanio alpha / near-alpha c) Titanio alpha / beta d) Titanio beta / near-beta / metaestable Níquel: Superaleaciones (Heat-Resistant Alloys) Tipos: a) Aleaciones Fe-Cr-Ni b) Aleaciones base Ni

16. Aluminio Características físicas: • Es un metal ligero, cuya densidad es de 2700 kg/m3 • Punto de fusión bajo: 660ºC (933 K). - El peso atómico: 26,9815. - Es de color blanco brillante, con buenas propiedades ópticas y un alto poder de reflexión de radiaciones luminosas y térmicas. - Elevada conductividad eléctrica (34 a 38 m/Ωmm2) y eleveda conductividad térmica (80 a 230 W/m·K). - Resistente a la corrosión, a los productos químicos, a la intemperie y al agua de mar, gracias a la capa de Al2O3 que se forma sobre su superficie. - Abundante en la naturaleza. - Su producción metalúrgica a partir de minerales es muy costosa y requiere gran cantidad de energía eléctrica. - Material fácil y barato de reciclar.

17. Aluminio Características químicas: • Debido a su elevado estado de oxidación se forma rápidamente en contacto con el aire una fina capa superficial de óxido de aluminio (Alúmina Al2O3) impermeable y adherente que detiene el proceso de oxidación. • El aluminio tiene características anfóteras. • La capa de oxido formada sobre el aluminio se puede disolver en ácido cítrico formando citrato de aluminio. - El principal y casi único estado de oxidación del aluminio es +III como es de esperar por sus tres electrones en la capa de valencia

18. Aluminio Obtención: Método Bayer - El aluminio de la bauxita se encuentra normalmente formando hidróxidos, Al(OH)3, o mezclas de con óxidos, (AlO(OH)2). • Se tritura la bauxita y luego se lava con una solución caliente de NaOH. • En la digestion la NaOH disuelve los minerales de Al pero no los otros componentes de la bauxita, que permanecen sólidos. Al(OH)3 + OH- + Na*→Al(OH)4- + Na* AlO(OH)2+OH- + H2O + Na*→Al(OH)4- + Na* - Para disolver Al(OH)3 basta una temperatura de 140ºC pero para la mezcla de hidróxido y óxido hacer falta subir hasta unos 240ºC: - Se retiran los sólidos no disueltos, se recupera la sosa no reaccionada, que se recicla al proceso. • La solución de Al(OH)4-, se precipita para formar hidróxido de Al puro y se cristaliza a temperaturas bajas y se "siembra" la solución de Al(OH)3: Al(OH)4- + Na* → Al(OH)3 + OH- + Na* - La solución de sosa libre se recicla al comienzo del proceso. - En la calcinacion se calienta a unos 1050°C, 2 Al(OH)3→ Al2O3 + 3 H2O • La alúmina obtenida se utiliza principalmente para producir Al mediante electrólisis.

19. Aluminio Aleaciones de aluminio: Principales características: -Una mejora en la dureza y resistencia del aluminio en estado puro, un metal muy blando. -Alta sensibilidad a la corrosión galvánica, que se produce rápidamente en las aleaciones de aluminio cuando entran en contacto eléctrico con acero inoxidable u otras aleaciones con mayor electronegatividad en un ambiente húmedo, por lo que si se usan conjuntamente deben ser adecuadamente aisladas. Tipos de aleaciones -Aluminio –Silicio - Aluminio –Cobre –Silicio - Aluminio –Cinc –Cobre - Aluminio –Cobre –Níquel –Magnesio - Aluminio –Magnesio - Aluminio –Zinc - Aluminio –Manganeso

20. Aluminio Aportaciones de los elementos aleantes: - 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): Tiene alta resistencia tras el conformado en frío. - Manganeso (Mn): Incrementa las propiedades mecánicas y reduce la calidad de embutición. - Silicio (Si): Combinado con magnesio (Mg), tiene mayor resistencia mecánica. - Titanio (Ti): Aumenta la resistencia mecánica. - Zinc (Zn): Reduce la resistencia a la corrosión

21. Titanio Propiedades físicas: - El titanio posee dos virtudes: • Alta relación resistencia/peso • Buena resistencia a la corrosión a causa de la autopasivación - Tiene una resistividad notable, bajo coeficiente de dilatación lineal y conductividad térmica muy baja. - El titanio tiene estructura hexagonal compacta por debajo de 882 ºC estructura alfa, relación c/a: 1.587 comportándose como un material dúctil. - Por encima de los 882 ºC es cúbica centrada en las caras por tanto la capacidad de deformación en fase beta aumenta, pero aparecen problemas de contaminación gaseosa. - Esta estructura cristalina es la que le confiere parte de sus características, como su poca tolerancia al daño.

22. Titanio Propiedades químicas: -Valencia variable. - Forma soluciones sólidas, compuestos iónicos o covalentes. - Excelente resistencia a la corrosión. - Oxidación en contacto con el oxigeno nitrógeno y carbono. - Alta reactividad química a alta temperatura. Estructura cristalina: La estructura cristalina que presenta el titanio es hexagonal compacta, como se muestra en el dibujo:

23. Titanio Métodos de obtención: Método de Kroll - Obtención de tetracloruro de titanio por cloración a 800°C. - Purificación del TiCl4 mediante destilación fraccionada. - El titanio forma una esponja en la pared del reactor (Mg), la cual se purifica por lixiviación con ácido clorhídrico diluido - El MgCl2 se recicla electrolíticamente. - Se compacta la esponja resultante. Si se reduce el TiCl4 mediante Na en lugar de Mg, la esponja resultante es granular, lo que facilita el proceso de compactación. - Se funde la esponja en un horno con un crisol de Cu refrigerado, mediante un arco eléctrico de electrodo consumible en una atmósfera inerte.

24. Titanio Aleaciones de titanio: - Aleantes eutectoides Fe, Mn, Cr, Co, Cu, Si y Ni: - Aleantes endurecedores Sn y Zr - Aleantes α-estabilizantes Al, O, N y C: - Aleantesβ-estabilizantes Va, Mb y Tn:

25. Titanio Tabla de propiedades de las distintas estructuras del titanio:

26. Titanio Microestructuras del titanio: Equidimensional  y  retenido ’ martensita Wittmanstätten  y  retenido BA Ti 6/4 Welded MA Ti 6/4 Equidimensional  Wittmanstätten  y  retenido CP Ti MA Ti 6/4 Cast Equidimensional  MA Ti 6/4 Cast Ti 15-3-3

27. Titanio Tolerancia al daño -El titanio, debido a su estructura cristalina (hexagonal compacta) tiene una baja tolerancia al daño así como una relativamente baja ductilidad. • -Esto supone que en presencia de una grieta esta se propagará con mucha mayor facilidad que en el caso de otros materiales. • -La incidencia de este fenómeno se ve amplificada por la oxidación superficial, defectos de fundidos o forjas, errores en el mecanizado, etc.

28. Tolerancia al daño - Los elementos como el O2 o N2 (tratamientos térmicos,) o H2 (embalajes, limpieza, decapado), a elevadas temperaturas, facilitan la aparición de grietas y la propagación de estos defectos. • Tanto los defectos inherentes a los fundidos como los de las forjas , pueden provocar la aparición de un daño durante su posterior mecanizado. • Efecto Bauschinger: Es una asimetría de la curva de tracción-compresión, hay un ablandamiento del material (40%) al invertir los esfuerzos tras un primer ciclo en el que hay deformación plástica. Este efecto aparece por conformado en frío, golpes en la manipulación, etc. • Dada la relativamente baja ductilidad y la baja tolerancia al daño hay que evitar en lo posible la aplicación de deformación en frío.

29. Propiedades físicas: - Símbolo químico: Ni - Masa atómica relativa: 58,71 g - Densidad: 8,9 g/cm3 a 25° C - Punto de ebullición: 2 730°C - Punto de fusión: 1 455°C - Presión de vapor: 0 Pa a 20°C . Níquel Propiedades químicas: - Es sólo moderadamente reactivo. - Resiste la corrosión alcalina. - Está por encima del hidrógeno en la serie electroquímica; - Se disuelve con lentitud en ácidos diluidos liberando hidrógeno. - En forma metálica es un agente reductor fuerte. - Forma una variedad de compuestos de coordinación o complejos.

30. Níquel Estructura cristalina: Se distribuye en dos fases, gamma (γ) y gamma prima (γ´): - Fase gamma: solución sólida centrada en las caras que actúa como matriz. - Fase gamma prima: dispersión de precipitados ordenados intermetálicos, responsable de la gran resistencia de las superaleaciones. Las fórmulas estequiométricas de esta fase son: Ni3Al, Ni3Ti o Ni3(AlTi).

31. Níquel Métodos de obtención: - El níquel se puede obtener gracias al descubrimiento del carbonilo de níquel. - La obtención es mediante el proceso Mond, mediante el cual se obtiene níquel metal a partir de los minerales que lo contienen. - El proceso consiste en hacer pasar monóxido de carbono sobre el mineral molido y fundido y recoger el carbonilo de níquel generado, que más tarde se descompone liberando el níquel metálico.

32. Níquel Principales aleaciones : - Principalmente consisten en agregar cromo y pequeñas cantidades de aluminio o titanio, para formar la fase gamma prima. - El cromo protege el producto final de la corrosión. - El titanio y el wolframio incrementan la dureza. - Al enfriarse la aleación fundida aparece una masa de fase gamma de níquel-aluminio. - Un enfriamiento posterior ya en estado sólido hace que precipiten pequeños cubos de fase gamma prima dentro de la matriz de fase gamma. - El tamaño final de las partículas de gamma prima se controla variando la velocidad de enfriamiento del material.

33. Níquel Coherencia de los Precipitados: Uno de los factores más importantes en la formación de la aleaciones de níquel es que exista una buena coherencia entre matriz y partícula en la formación de los precipitados, g’ Buena coherencia entre matriz y partícula Mala coherencia entre matriz y partícula g’’ Defectos matriciales

34. Níquel Evolución de las aleaciones de níquel:

35. Níquel Superaleaciones de níquel más empleadas: • Inconel (76% Ni, 16% Cr, 8% Fe): • Alta resistencia a la corrosión • Alta resistencia mecánica y tenacidad • Alta resistencia a la oxidación a altas temperaturas, • Resiste la fatiga térmica sin hacerse frágil. • Se utiliza en escapes y calentadores de motores de avión, • Nimonic 90 (53% Ni, 20% Cr, 18% Co, 2.5% Ti, 1.5% Al, 1.5% Fe): • Alta resistencia a la fluencia (creep), • Alta tenacidad y estabilidad a temperaturas elevadas. • Es la aleación básica para los motores a reacción.

36. Distribución de materiales

37. Distribución de materiales

38. Distribución de materiales F < Air speed out Air speed in

39. Distribución de materiales Fan Low Pressure Compressor High Pressure Turbine Combustor High Pressure Compressor

40. Distribución de materiales 200 C 600 C 1000 C 700 C Steel Titanium Aluminium

41. Distribución de materiales Ti/PMC/ Al/ Mg Titan Nickel/MMC Titan/PMC/ Steel /Al/ Mg Nickel/ CMC Nickel/ TiAl Nickel/CMC AK 2002/ 1

42. Distribución de materiales

43. Distribución de materiales

44. Prueba de materiales Un antes y después del ensayo de desprendimiento de alabe en el GE 90. • El material demuestra una gran tolerancia al daño. • El mayor efecto se traduce en el aligeramiento de los rodamientos y sus soportes

45. Prueba de materiales

46. Bibliografía • Página web del grupo ITP • Página web de EADS-CASA • “Ingeniería de materiales para industria y construcción” Varios autores. Mira editores. 2004. • “Fundamentos de Ciencia de los materiales” Tomo II. Varios autores. UPV. 2000. • “Introducción a la Ciencia de Materiales para ingenieros” Shackelford. Pearson. 2005. • “Introducción a la Metalurgia física” Avner. Ediciones del Castillo. 1974. • http://paginas.tol.itesm.mx/Alumnos/A01050080/ing%20materiales/Teoria_Metales.ppt • http://www.mde.es/dgam/obsevatorios/boletinn14.pdf • http://omega2.inin.mx/publicaciones/documentospdf/35%20SUPERALEACIONES.pdf • http://www.ing.unlp.edu.ar/aeron/catedras/materiales/materiales_aeronauticos.pdf • http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2003/Superalloys/superalloys.html • http://www.goodfellow.com/csp/active/STATIC/S/Nimonic_alloy_90.HTML • http://www.cordes.com.ar/Contenido/incoloy.asp