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A medida que avanzaba el siglo XX, el aluminio se convirtió en un metal esencial en los aviones. El bloque de cilindros del motor que impulsaba el avión de los hermanos Wright en Kitty Hawk en 1903 era una pieza fundida en una aleación de aluminio que contenía 8% de cobre; las palas de la hélice de aluminio aparecieron ya en 1907; y cubiertas de aluminio, asientos, capotas, soportes de fundición y partes similares eran comunes al comienzo de la Primera Guerra Mundial.

En 1916, L. Brequet diseñó un bombardero de reconocimiento que marcó el uso inicial de aluminio en la estructura de trabajo de un avión. Al final de la guerra, los aliados y Alemania emplearon aleaciones de aluminio para el marco estructural de los conjuntos de fuselaje y alas.

Aleaciones para componentes de fuselaje

El fuselaje de la aeronave ha sido la aplicación más exigente para las aleaciones de aluminio; Hacer una crónica del desarrollo de las aleaciones de alta resistencia también es registrar el desarrollo de los fuselajes. El duraluminio, la primera aleación de aluminio tratable térmicamente de alta resistencia, fue empleado inicialmente para el armazón de aeronaves rígidas, por Alemania y los aliados durante la Primera Guerra Mundial. El duraluminio era una aleación de aluminio-cobre-magnesio; Se originó en Alemania y se desarrolló en los Estados Unidos como aleación 17S-T (2017-T4). Fue utilizado principalmente como lámina y placa.

La aleación 7075-T6 (límite de elasticidad de 70,000 psi), una aleación Al-Zn-Mg-Cu, se introdujo en 1943. Desde entonces, la mayoría de las estructuras de aviones se han especificado en aleaciones de este tipo. El primer avión diseñado en 7075-T6 fue el bombardero de patrulla P2V de la Marina. En 1951 se desarrolló una aleación de mayor resistencia en la misma serie, 7178-T6 (límite de elasticidad de 78,000 psi); generalmente no ha desplazado al 7075-T6, que tiene una resistencia a la fractura superior. La aleación 7178-T6 se usa principalmente en miembros estructurales donde el rendimiento es crítico bajo la carga de compresión.

La aleación 7079-T6 se introdujo en los Estados Unidos en 1954. En secciones forjadas de más de 3 pulgadas de espesor, proporciona mayor resistencia y mayor ductilidad transversal que 7075-T6. Ahora está disponible en hojas, placas, extrusiones y piezas forjadas.

La aleación X7080-T7, con mayor resistencia a la corrosión bajo tensión que la 7079-T6, se está desarrollando para piezas gruesas. Debido a que es relativamente insensible a la velocidad de enfriamiento rápido, se pueden producir buenas resistencias con bajos esfuerzos de enfriamiento en secciones gruesas.

El revestimiento de aleaciones de aluminio se desarrolló inicialmente para aumentar la resistencia a la corrosión de la lámina 2017-T4 y, por lo tanto, para reducir los requisitos de mantenimiento de las aeronaves de aluminio. El revestimiento en la lámina de 2017, y más tarde en 2024-T3, consistió en aluminio de pureza comercial unido metalúrgicamente a una o ambas superficies de la lámina.

La protección electrolítica, presente en condiciones húmedas o húmedas, se basa en el potencial de electrodo apreciablemente mayor del aluminio de pureza comercial en comparación con la aleación 2017 o 2024 en el temple T3 o T4. Cuando aparecieron 7075-T6 y otras aleaciones de Al-Zn-Mg-Cu, se desarrolló una aleación de revestimiento de aluminio-zinc 7072 para proporcionar un potencial de electrodo relativo suficiente para proteger las nuevas aleaciones fuertes.

Sin embargo, el avión de alto rendimiento diseñado desde 1945 ha hecho un uso extensivo de estructuras de revestimiento mecanizadas a partir de placas gruesas y extrusiones, lo que impide el uso de revestimientos exteriores alclad. Como resultado, los requisitos de mantenimiento aumentaron, y estos estimularon los programas de investigación y desarrollo que buscaban aleaciones de mayor resistencia con mayor resistencia a la corrosión sin revestimiento.

Las piezas de fundición de aleación de aluminio se han utilizado tradicionalmente en hardware de aviones no estructurales, como soportes de poleas, cuadrantes, dobladores, clips, conductos y guías de ondas. También se han empleado ampliamente en cuerpos de válvulas complejos de sistemas de control hidráulico. La filosofía de algunos fabricantes de aviones todavía es especificar piezas fundidas solo en lugares donde la falla de la pieza no puede causar la pérdida del avión. La redundancia en los sistemas de control hidráulico y de cable "permite" el uso de piezas fundidas.

La tecnología de fundición ha hecho grandes avances en la última década. Las aleaciones tradicionales como las 355 y 356 se han modificado para producir niveles más altos de resistencia y ductilidad. Se desarrollaron nuevas aleaciones como 354, A356, A357, 359 y Tens 50 para piezas de fundición de alta resistencia. La alta resistencia se acompaña de una integridad estructural mejorada y fiabilidad de rendimiento.

La soldadura eléctrica por puntos y costuras de resistencia se utiliza para unir estructuras secundarias, como carenados, cubiertas de motores y dobladores, a mamparos y revestimientos. Las dificultades en el control de calidad han resultado en una baja utilización de la soldadura por resistencia eléctrica para la estructura primaria.

La soldadura ultrasónica ofrece algunas ventajas económicas y de control de calidad para la unión de producción, particularmente para láminas delgadas. Sin embargo, el método aún no se ha desarrollado ampliamente en la industria aeroespacial.

La unión adhesiva es un método común de unión en estructuras primarias y secundarias. Su selección depende de la filosofía de diseño del fabricante del avión. Ha demostrado ser satisfactorio en la fijación de refuerzos, como secciones de sombreros a láminas, y láminas frontales a núcleos de panal. Además, la unión adhesiva ha resistido exposiciones adversas como la inmersión en agua de mar y atmósferas.

Las estructuras primarias de aluminio soldadas por fusión en los aviones son prácticamente inexistentes, ya que las aleaciones de alta resistencia utilizadas tienen baja soldabilidad y baja eficiencia en la unión de la soldadura. Algunas de las aleaciones, como 2024-T4 , también tienen su resistencia a la corrosión reducida en la zona afectada por el calor si se dejan en la condición de soldadura.

Los procesos de soldadura mejorados y las aleaciones soldables de mayor resistencia desarrolladas durante la última década ofrecen nuevas posibilidades para estructuras primarias soldadas. Por ejemplo, la soldabilidad y resistencia de las aleaciones 2219 y 7039, y la solidez y resistencia de X7005, abren nuevas vías para el diseño y la fabricación de estructuras de aviones.

Aeronave ligera

Los aviones ligeros tienen células principalmente de construcción semi-monocasco de aluminio, sin embargo, algunos aviones ligeros tienen una estructura de transporte de carga de armadura tubular con tela o piel de aluminio, o ambos.

El revestimiento de aluminio normalmente tiene el grosor mínimo práctico: 0.015 a 0.025 pulg. Aunque los requisitos de resistencia de diseño son relativamente bajos, el revestimiento necesita un límite elástico y dureza moderadamente altos para minimizar el daño al suelo por piedras, escombros, herramientas mecánicas y manejo general. Otros factores primarios involucrados en la selección de una aleación para esta aplicación son la resistencia a la corrosión, el costo y la apariencia. Las aleaciones 6061-T6 y alclad 2024-T3 son las opciones principales.

La lámina de revestimiento en los aviones ligeros de diseño y construcción recientes generalmente es alclad 2024-T3. La estructura interna comprende largueros, largueros, mamparos, miembros de cuerda y varios accesorios de unión hechos de extrusiones de aluminio, láminas formadas, forjas y piezas fundidas.

Las aleaciones más utilizadas para miembros extruidos son 2024-T4 para secciones de menos de 0.125 pulgadas de espesor y para aplicaciones generales, y 2014-T6 para secciones más gruesas y con mayor tensión. La aleación 6061-T6 tiene una aplicación considerable para extrusiones que requieren secciones delgadas y excelente resistencia a la corrosión. La aleación 2014-T6 es la principal aleación de forja, especialmente para trenes de aterrizaje y cilindros hidráulicos. La aleación 6061-T6 y su contraparte de forja 6151-T6 a menudo se utilizan en accesorios varios por razones de economía y mayor rendimiento de corrosión, cuando las piezas no están muy sometidas a tensión.

Las aleaciones 356-T6 y A356-T6 son las principales aleaciones de fundición empleadas para brackets, campanillas, poleas y diversos accesorios. Las ruedas se producen en estas aleaciones como moldes permanentes o moldes de arena. Las piezas moldeadas en aleación A380 también son satisfactorias para las ruedas de aviones ligeros.

Para estructuras de bajo estrés en aviones ligeros, aleaciones 3003-H12 , H14 y H16; 5052-O, H32, H34 y H36; y 6061-T4 y T6 a veces se emplean. Estas aleaciones también son selecciones primarias para combustible, aceite lubricante y tanques de aceite hidráulico, tuberías y tubos y soportes de instrumentos, especialmente donde se requiere soldadura. Las aleaciones 3003, 6061 y 6951 se utilizan ampliamente en intercambiadores de calor soldados y accesorios hidráulicos. Las aleaciones desarrolladas recientemente, como 5086, 5454, 5456, 6070 y las nuevas aleaciones soldables de aluminio, magnesio y zinc, ofrecen ventajas de resistencia frente a las mencionadas anteriormente.

El ensamblaje de láminas de aviones ligeros se realiza predominantemente con remaches de aleaciones 2017-T4, 2117-T4 o 2024-T4. Los tornillos de chapa autorroscantes están disponibles en aleaciones de aluminio, pero los tornillos de acero chapado en cadmio se emplean más comúnmente para obtener una mayor resistencia al corte y facilidad de conducción. La aleación 2024-T4 con recubrimiento anódico es estándar para tornillos, pernos y tuercas de aluminio fabricados según especificaciones militares. La aleación 6262-T9, sin embargo, es superior para las tuercas, debido a su inmunidad virtual al agrietamiento por corrosión bajo tensión.

Aviones de transporte

Las aeronaves de transporte de los tipos operados por aerolíneas comerciales, corporaciones para viajes ejecutivos y militares, incluidas las naves Concorde, son generalmente de construcción de aluminio semi-monocasco y de refuerzo.

Las aleaciones utilizadas principalmente hoy en día son 2024-T4 y las aleaciones que tienen una resistencia aún mayor (2014-T6, 7075-T6, 7079-T6 y 7178-T6). Cuando se usa una lámina, se prefiere la forma alclad. Los revestimientos superiores y las tapas de las alas de los largueros a menudo son de 7075-T6 y 7178-T6, porque el requisito crítico es una alta resistencia a la compresión, y la estructura generalmente no es crítica en la carga de tensión o fatiga.

Para miembros de tensión de ala, almas cortantes y nervaduras, las aleaciones 2014-T6, 2024-T4 y 7075-T6 se usan ampliamente. Para estas aplicaciones, el rendimiento de fatiga y la tenacidad a la fractura, combinados con una alta resistencia, son las características de la aleación de mayor preocupación. Aunque 7075-T6 es más fuerte que 2024-T3 o 2024-T4, es más sensible a las muescas y tiene una mayor tasa de propagación de grietas por fatiga. Sin embargo, las estructuras diseñadas y fabricadas en 7075-T6 tienen algo menos de peso de lo que es posible en una estructura 2024-T3 o 2024-T4 para un rendimiento equivalente.

La lámina y placa laminadas de 0.040 a aproximadamente 0.375 pulg. De grosor se emplean para revestimientos de ala por otros fabricantes que prefieren piezas lo más anchas y lo menos posible. El diseño a prueba de fallas en este tipo de construcción se logra mediante muchos refuerzos separados, formados a partir de láminas o fresados a partir de extrusiones estándar, o mecanizados a partir de extrusiones escalonadas para acomodar accesorios finales integrales.

Las láminas y placas Alclad son preferidas para las pieles de las alas para obtener una buena resistencia a la corrosión. La lámina y la placa alclad cónica en rollo proporcionan revestimientos que son estructuralmente eficientes sin un mecanizado extenso. Además, el espaciamiento y el diseño óptimos de los refuerzos son practicables con este enfoque. Algunos diseñadores emplean la unión adhesiva, en lugar de remachar, para unir dobladores y refuerzos a la lámina de la piel.

Los fuselajes en prácticamente todos los transportes de líneas aéreas modernas y aviones ejecutivos están presurizados. Los ciclos de presurización y los requisitos de seguridad determinan los parámetros de diseño de estructuras de alta carga, resistentes a la fatiga y a la fractura para esta aplicación. Aunque el diseño es la consideración más importante para lograr el rendimiento deseado, la resistencia a la fractura de la aleación probablemente tenga la mayor influencia en el peso de la estructura. Las aleaciones y los ánimos con buenas combinaciones de resistencia estática, tenacidad a la fractura y resistencia a la corrosión son los mejores para esta aplicación. Se utiliza una lámina Alclad de 0.040 a 0.187 pulgadas de espesor en 2014-T6, 2024-T3, 7075-T6 y 7079-T6. Alclad 2219-T81 y 2219-T87 tienen buena tenacidad a la fractura, pero sus resistencias a la tracción a temperatura ambiente son más bajas que las de las otras aleaciones.

Se requieren máscaras delgadas para componentes tales como pestañas de ajuste, pestañas de servo, superficies de control, aletas y puertas de acceso sin carga; Se aplican tanto en costillas como en construcciones tipo sándwich. Alclad 2024-T3, alclad 7075-T6 y aleación 6061-T6 son las selecciones principales. El núcleo de nido de abeja de aluminio generalmente está hecho de papel 3003-H19, 5052-H19 o 5356-H19. La lámina de 2024-T81 se produce y se utiliza ventajosamente para el núcleo para un servicio prolongado a altas temperaturas.

Las piezas estructurales del tren de aterrizaje para aviones pesados a menudo se producen como piezas forjadas de aleación de aluminio. Los cilindros principales están hechos en prensas hidráulicas como piezas forjadas convencionales de matriz cerrada, con el plano de separación en el centro del cilindro. En el pasado, la aleación 2014-T6 se empleó ampliamente, pero en los últimos años se ha utilizado la aleación 7079-T6 o T611. La aleación 7075 en el nuevo genio T73 y la aleación X7080-T7 también deben considerarse, debido a su buena resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión, y en el caso de X7080-T7, sus buenas propiedades y bajos esfuerzos de enfriamiento en espesores (más de 3 pulg. .) secciones. Otros miembros del tren de aterrizaje, unidos a los cilindros principales, también se producen como forjados de aluminio, incluyendo forjados estructurales en el fuselaje y las alas, que distribuyen las cargas del tren de aterrizaje en otras estructuras y piezas forjadas para el mecanismo de retracción.

Las ruedas para aviones pesados civiles o militares generalmente están diseñadas sobre una base de vida segura. Se reemplazan a intervalos regulares durante la vida útil de un avión, lo que permite el uso de diseños más livianos que los necesarios para una resistencia a la fatiga prolongada.

Aeronaves de alto rendimiento

Las aeronaves de alto rendimiento requeridas por los servicios militares están diseñadas para soportar cargas de 9 a 12 g (9 a 12 veces mayores que las impuestas por un vuelo no acelerado).

Las cargas máximas son poco frecuentes y en algunos aviones nunca se pueden encontrar. Dado que las tensiones lg prevalentes durante la mayor parte del período de vuelo son bajas, y la vida útil de la aeronave en términos de horas de vuelo también es generalmente baja, la fatiga de ciclo alto no es un problema importante. Sin embargo, las altas tensiones que ocasionalmente pueden imponerse en las maniobras exigen la consideración de las características de fatiga de alta tensión del material de la estructura. Otra característica de este tipo de aeronave son las altas cargas de las alas, que dictan pieles gruesas, típicamente de 0.5 a 1.5 pulgadas en la raíz. Los requisitos de diseño resultantes del calentamiento aerodinámico a altas velocidades se discuten posteriormente, bajo aviones supersónicos.

Desde aproximadamente 1945, todos los aviones de alto rendimiento se han fabricado con las aleaciones de aluminio de mayor resistencia aprobadas por los servicios militares. Alloy 7075-T6 ha sido el caballo de batalla, complementado en aplicaciones especializadas para 2014-T6, 2024 en temperamentos envejecidos tanto natural como artificialmente, 7079-T6 y 7178-T6. En un gran avión de transporte de la Armada, la placa 2020-T651 se usa para superficies de ala y cola para obtener las ventajas de su baja densidad y alto módulo de elasticidad (11.4 millones de psi). La sensibilidad de la muesca de 2020-T6 requiere cuidado en el diseño y la fabricación para minimizar las concentraciones de tensión y realizar todas las capacidades estructurales de la aleación.

Las extrusiones de 1 a 5 pulgadas de espesor en aleaciones 7075-T6 o 7079-T6 se utilizan como material de mecanizado para tapas de mástil, que en algunos diseños son continuos de un lado de un ala al otro. Los ángulos de barrido y diédrico apreciables presentan problemas de formación para largueros continuos; por lo tanto, en algunas aeronaves de ala extendida, las extrusiones escalonadas se emplean como piezas de mecanizado para tapas de mástil con accesorios de fijación integrales. Estos están unidos a miembros de transporte, mecanizados a partir de placas gruesas, piezas forjadas a mano o piezas forjadas. Las aleaciones 7075-T6, 7075-T73 y 7079-T6 predominan.

La principal desventaja de la piel de la placa mecanizada es su eliminación del uso de una superficie exterior alclad para una mayor resistencia a la corrosión, lo que requiere sistemas de recubrimiento efectivos para una protección adecuada contra la corrosión.

En general, los servicios militares aprueban sistemas que incluyen un revestimiento de conversión, una o dos capas de imprimación de cromato de zinc y una o dos capas de revestimiento orgánico de alta calidad. Si el revestimiento falla o está dañado, las aeronaves que operan en atmósferas de sal muy severas y tropicales pueden encontrar corrosión por exfoliación en las superficies superiores de 7075-T6 y 7178-T6. La aleación 7075-T73 y los templos envejecidos artificialmente de las aleaciones de la serie 2xxx no se exfolian, pero tienen un límite elástico menor que las aleaciones de la serie 7xxx en el temple T6. Un desarrollo más reciente es el 7178-T76, que se acerca a la capacidad estructural de 7075-T6 y la resistencia a la exfoliación de 7075-T73.

Las fundiciones de aleación de aluminio de alta resistencia se utilizan en algunos aviones de alto rendimiento. Se emplean en componentes estructurales como soportes y marcos de dosel, miembros de fuselaje y torres de alta carga que soportan cargas externas. Las aleaciones 354-T6 y A357-T6 generalmente se especifican para estas piezas fundidas de alta resistencia. Las nuevas aleaciones de la serie 2xxx, que aún no están en producción, muestran una capacidad de aumento del 20% en las propiedades mecánicas para formas simples.

Avión supersónico

Las aeronaves supersónicas, diseñadas para soportar el calentamiento aerodinámico a 250 ° F durante más de 100 horas (el tiempo de servicio se acumula en pequeños incrementos), generalmente utilizan las aleaciones de la serie 2xxx en templos envejecidos artificialmente para la lámina de la piel.

Las aleaciones 2024-T81 y T86 son las más empleadas; 2014-T6 y 2024-T62 o T81 se utilizan para miembros extruidos. Las aleaciones 2014-T6 y 2618-T61 se emplean para productos forjados ubicados en áreas afectadas por el calor; La aleación 2024, que se puede forjar, también se puede considerar para piezas de este tipo. La aleación 2219 ha tenido una aplicación limitada en las cápsulas del motor como láminas, remaches y piezas forjadas.

Los diseñadores de un bombardero supersónico han hecho un uso extensivo de la construcción en sándwich con núcleo de nido de abeja para paneles de ala, para lograr una estructura rígida que no se doble cuando se tensa en compresión cerca del límite elástico del material. El panal en estos paneles sándwich es papel de aluminio 5052, excepto donde se aplica fibra de vidrio para aislar aún más el combustible del calentamiento aerodinámico.

Los marcos de panel de nido de abeja son predominantemente 7075-T6, mecanizados a partir de placa para eliminar las juntas de las esquinas. El nido de abeja de aluminio también se usa en las áreas con cuentas de los dobladores de piel, para ayudar a endurecer la piel del fuselaje. A temperaturas elevadas, la lámina 2024-T81 proporciona mayor resistencia que la que se obtiene en aleaciones endurecidas por trabajo, como 5052-H39 y 5056-H39.

El transporte supersónico desarrollado por los intereses británicos y franceses hace uso general de alclad y 2618-T6 para la estructura. Esta aleación, que ha servido durante muchos años en piezas forjadas de motores, está disponible también en otras formas forjadas. La aleación 2219-T81 o T87 tiene aproximadamente la misma resistencia a la tracción para fines de diseño que 2618-T6; sin embargo, datos limitados muestran que 2618-T6 tiene mayor resistencia a la fluencia.

Helicópteros

Los helicópteros tienen requisitos estructurales críticos para las palas del rotor. Las aleaciones 2014-T6, 2024-T3 y 6061-T6, en formas huecas extruidas o estiradas, se utilizan ampliamente para el miembro principal del mástil.

Las pieles de las cuchillas, típicamente de 0.020 a 0.040 pulgadas de grosor, son principalmente alclad 2024-T3 y 6061-T6.

Algunas cuchillas tienen núcleo de panal de aleación 3003-H19 o 5052-H39 ; otros dependen de costillas y largueros con una separación de 5 a 12 pulgadas para evitar el pandeo excesivo o el enlatado de las pieles delgadas del borde posterior. La unión adhesiva es el método de unión más común.

Las estructuras de cabina y fuselaje de los helicópteros generalmente son de diseño de aeronave convencional, utilizando mamparos de láminas formadas, largueros de láminas extruidas o enrolladas y pieles dobladas o molidas químicamente.