Las aleaciones de aluminio  que emplea  la industria aeronáutica son el resultado  de la combinación del aluminio  Al con otros metales:

 cobre (Cu), manganeso (Mn), cinc (Zn) y magnesio (Mg).

Aunque  otros metales se pueden  combinar con Al solo los citados  tienen suficiente solubilidad sólida para considerarse elementos aleantes.

El circonio  (Zr), Cr y Mn tienen poca solubilidad sólida en aluminio.

Pero poseen la capacidad de controlar  la estructura  granular  de la aleación de aluminio.

Las aleaciones de aluminio pertenecen al grupo de las aleaciones ligeras.

Su densidad  es relativamente baja y poseen gran resistencia  mecánica.

Estas dos cualidades, poco peso específico  (2,8 g/cm 3) y  alta  resistencia   mecánica,  son  esenciales para la construcción de aviones.

El aluminio  puro es un material  que posee gran resistencia  a la corrosión.

Pero,  sus  aleaciones no tienen la misma capacidad  para resistir los ataques corrosivos.

Las aleaciones se tratan   para prevenir  su deterioro  con el paso de tiempo.

El caso  más  típico  es el alclad.

Alclad  es una aleación  de aluminio  recubierta con aluminio  puro.

La resistencia  a la corrosión  es similar  a la del aluminio puro en tanto que se mantenga intacta la película protectora  exterior.

 

Designación de las aleaciones de aluminio

 

El Sistema  Internacional  de  Clasificación de Aleaciones (lnternational  Alloy Designation System) es el que se emplea en aeronáutica y se aplica para identificar las aleaciones de aluminio.

Se compone de cuatro dígitos (xxxx).

• El primero indica la serie de la aleación.

• El segundo dígito, si es distinto de O, indica la revisión de la aleación (modificaciones que ha experimentado la aleación).

• Los dos últimos dígitos tienen solo sentido técnico para la serie 1; indican el grado de pureza.

Para las restantes series los dos últimos dígitos son arbitrarios.

Se usan con criterios de diferenciación entre aleaciones de un mismo grupo.

La Tabla es la siguiente:

• lxxx  Aluminio al 99 % de pureza, o más.

• 2xxx  Aleación de aluminio  cobre.

• 3xxx  Aleación aluminio  silicio  cobre  magnesio.

• 4xxx  Aleación de aluminio  silicio.

• Sxxx  Aleación de aluminio  magnesio.

• 6xxx  Aleación de aluminio  magnesio  silicio.

• 7xxx  Aleación de aluminio  cinc.

• 8xxx  Aleación de aluminio  otros elementos.

Ejemplos:

a. Aleación de aluminio 2024.

La serie 2 pertenece al grupo Al  Cu.

La aleación no ha experimentado modificación (dígito 0).

El número 24 la identifica en la serie 2xxx.b.

Aleación de aluminio 2128.

Para su identificación procedemos de igual modo: la serie 2 pertenece al grupo Al  Cu.

Ha tenido una modificación (dígito1).

El número 28 la identifica en la serie 2xxx.

c. Aluminio  1235. Aluminio  puro, modificado dos veces (2), y 99,35 % de pureza (dígitos 35).

 

Clases  de aleaciones de aluminio

 

Se dividen en categorías de moldeo y forja.

a. Las aleaciones de moldeo  se usan en  la industria  general  tal  cual,  es decir, como salen de moldeo, sin tratamiento térmico o mecánico posterior.

El grano es grueso. Sus propiedades de resistencia mecánica son inapropiadas para empleo aeronáutico.

b. Las  aleaciones   de  forja se emplean en aviación desde la década de 1930.

Sus propiedades mecánicas se mejoran mediante tratamientos mecánicos (extrusión, laminación, etc.) o térmicos.

Los tratamientos térmicos de estas aleaciones permiten obtener una microestructura del material que les confiere alta resistencia mecánica.

Por  vía de un  proceso  de endurecimiento  conocido con el nombre de «maduración».

Las aleaciones de aluminio de forja se dividen, a su vez, en dos categorías:

Aleaciones de maduración natural o artificial.

Este tema se estudia más adelante.

Hay aleaciones que admiten tratamiento térmico y experimentan transformaciones  estructurales cuando se someten a calentamiento y enfriamiento controlados.

Otras no endurecen por tratamiento (cuando el Mg o Mn están presentes, solos o en combinación.

No obstante se puede modificar la estructura por recristalización después del trabajo en frío.

En estructuras aeronáuticas se emplean solo las primeras de las citadas.

Por alineación práctica con el Curso en lo que sigue solo nos referimos a series de interés aeronáutico.

 

Serie 1xxx

 

Los componentes  de la serie  1 xxx se consideran aluminio puro.

 Para estar incluido en ella es preciso que tenga aluminio  al 99 %.

No es frecuente que se añadan elementos de aleación  a esta serie de forma deliberada.

Normalmente viene acompañada de trazas de impurezas, por ejemplo hierro.

De forma deliberada se puede alear el aluminio con manganeso, cobre o cinc .

Siempre por debajo del 1 % para mejorar sus propiedades mecánicas.

 En este caso presentan límites elásticos en torno a 40 MPa (4,07 kg/mm2).

Los  componentes   de  la  Serie  1 xxx  se  emplean  en fabricación  industrial.

Cuando se precisa resistencia frente a la corrosión (p.e. depósitos  de productos químicos, tuberías,  etc.).

Son  usos  e instalaciones  donde  la carga estructural es baja.

La Serie tiene uso limitado en aviación.

Encontramos  este material en las barras de distribución  del sistema  eléctrico.

Incluso  en el cableado del avión, por su excelente  conductividad eléctrica.

También en recubrimientos por su resistencia a la corrosión, remaches.

 

Serie 2xxx4.

 

Grupo del cobre. El famoso «duraluminio» es de este grupo.

Admiten tratamiento térmico, en el curso del cual el cobre precipita en la aleación formando compuestos endurecedores.

Otorgan resistencia mecánica muy alta.

Destaca la aleación 2024 que es un auténtico estándar en aviación.

Aunque últimamente ha perdido protagonismo.

Se puede decir  que no existe avión actual de estructura metálica que no la incluya.

Tanto el cobre como el magnesio que lleva la aleación aportan resistencia  mecánica  por solución sólida de sus respectivos compuestos en el aluminio.

Los compuestos precipitan, en forma de partículas endurecedoras de los granos del material.

Los procesos  ocurren durante el tratamiento térmico.

Cuando  el cobre  y el magnesio  reaccionan con el aluminio  formando  precipitados  de Al2CuMg y de Al2Cu.

Las aleaciones de la serie 2xxx tienen otros elementos que dan características especiales al material:

a. El  manganeso  y  el  cromo   están   presentes   en pequeñas  cantidades.

Su función en la aleación  es limitar  el   crecimiento  de   los   granos para  aumentar el  límite  elástico.

Granos más  pequeños endurecidos aportan  más  resistencia mecánica.

b. En otros casos, los elementos  añadidos  facilitan  la fabricación de la aleación;

Por ejemplo,  el silicio disminuye  la viscosidad  del metal fundido.

Hoy día se han preparado  otras aleaciones,  dentro de este grupo, que aportan mayor tenacidad y resistencia mecánica,  como la 2025 y 2048.

En general,  las mejoras han venido vía la eliminación  de impurezas.

Perfeccionando  las técnicas  de fabricación  de las aleaciones.

Las aleaciones 2xxx se emplean en:

  • largueros,
  • larguerillos,
  • soportes,
  • revestimientos del  ala,
  • mamparos de presión,
  •  remaches, y muchas  más.

Serie 6xxx

Grupo  del magnesio  y silicio.

Igual que las anteriores admiten  tratamiento térmico.

Su empleo  aeronáutico es escaso porque  no tienen tenacidad  suficiente.

La única salvedad  del grupo es la aleación  6061 (Al  1 % Mg  0,6  % Si) que se ha empleado ocasionalmente en costillas  de ala,  depósitos de combustible  y carenados.

No obstante,  hoy día se puede considerar  obsoleta.

 

Serie 7xxx4.

 

Grupo  del cinc, tratable  térmicamente, con resistencia  a la tracción  que llega hasta los 620 MPa  (63,2 kg/mm2) y límite elástico  de 580 MPa (59,1 kg/mm2).

Son las aleaciones  de aluminio de resistencia  mecánica  más  alta.

En  realidad  habría  que  decir  que  es  un grupo  de cinc  y cobre.

Pero  se llama  del cinc  porque este entra en la aleación  cuatro veces más que el cobre.

Los ingenieros en estructuras de aviones suelen elegir aleaciones de este grupo cuando necesitan piezas de resistencia  mecánica  entre 450 y 650 MPa.

Nótese  aquí  la diferencia de selección con  las aleaciones  del  grupo  2xxx,  por  ejemplo  la 2024.

Por  lo común el ingeniero elige aleaciones del grupo  2xxx cuando  necesitan piezas  que tengan resistencia mecánica algo más baja, entre 300 y 450 MPa.

La aleación  más usada en este grupo es la 7075.

Otro estándar  en estructuras del avión,  pero modernamente han  aparecido otras  con  propiedades mejoradas.

En particular se ha mejorado la resistencia a la corrosión y la tenacidad.

Aplicada, al  revestimiento  del  fuselaje,  permite disminuir el número de cuadernas  con la consiguiente reducción de peso estructural.

 

Serie Bxxx4.

 

Grupo diverso; se encuadran aquí otras aleaciones de aluminio no incluidas en grupos anteriores.

Su interés actual es por la aplicación que se ha encontrado en aviación para las aleaciones de aluminio y litio.

De hecho Alcoa empezó a fabricar estas aleaciones en la década de 1950.

A pesar de su prometedora  introducción en aviación hay que señalar que su empleo es limitado hoy día.

La ventaja principal que aportan estas aleaciones, respecto a las de aluminio convencionales, es su menor densidad (0,53 g/cm3).

Además exhiben un módulo de elasticidad alto y excelente comportamiento a la fatiga.

Por ejemplo, si se compara con la aleación de aluminio 7075.

El tratamiento  de temple para alta resistencia mecánica, resulta que la 8090 (Al  2,4% Li  1,3% Cu 0,9 % Mg) es un 8 % más ligera y tiene un módulo de elasticidad  1O % superior.

Las aleaciones Al  Li retienen buenas propiedades en contacto con líquidos criogénicos.

Por esta razón se utilizan en los depósitos externos de combustible de los lanzadores de satélites artificiales y naves espaciales.

Inconvenientes de las aleaciones Al  Li

a. Son aleaciones de fabricación cara.

Sus aplicaciones aeronáuticas apuntan más a la aviación militar que comercial.

Motivo: el cliente militar quiere, normalmente, muy altas prestaciones del avión aunque el coste el avión sea más alto.

Composición (% en peso) de aleaciones de aluminio Serie 2xxx
El Junkers J.9 (225 km/h) fue un avión monoplano de combate que se fabricó al final de la Primera Guerra Mundial.

Fue el primer avión construido enteramente de duraluminio, una primera aleación que descubrió Alfred Wilm con la siguiente composición porcentual:3,5 Al   5 Cu   Mg    Mn. Fuente Wikipedia.

b. Otro inconveniente. Por arriba del 3 % de litio hay que acudir  a técnicas  de solidificación  inusuales en la industria aeronáutica, de ahí que en aviación el contenido de Li sea siempre inferior al 3 %

.c. Tendencia a exhibir  propiedades anisótropas (la resistencia mecánica no es igual en todas las direcciones  del  material).

Suelen  tener baja ductilidad y tenacidad en dirección transversal a la sección recta de la pieza).

d. Además de caras de fabricar, el litio, por sí mismo, es un material caro.

Esto explica que el precio de las aleaciones Al  Li en bruto sea tres veces superior a las más caras de aluminio.

Dos notas de prevención:

l. La aeronave  actual hace gran uso  de materiales compuestos.

Por tanto se debe considerar  el distinto potencial electroquímico que exhibe el litio con respecto a la fibra de carbono (riesgo de corrosión).

2. La adición de litio en la aleación de aluminio disminuye su conductividad eléctrica y térmica si se compara con las aleaciones convencionales.

La disminución de la primera propiedad física (conductividad) es un factor a tener en cuenta en la protección estructural de la aeronave frente a la colisión con el rayo.

Esto es especialmente  importante en partes  estructurales de poco espesor de pared.

La razón es que para mantener conductividad eléctrica adecuada, será necesario aumentar el espesor de chapa.

Se pierde de este  modo  parte de la ganancia  de  peso que aporta el litio.

La menor conductividad térmica de las aleaciones Al  Li tiende a complicar los tratamientos térmicos de estas aleaciones y, en particular, el ajuste de los períodos de fusión y enfriamiento del material.

 

Tratamientos  térmicos de las aleaciones de aluminio

 

Las aleaciones de aluminio se tratan térmicamente con el mismo fin que los aceros, esto es, para conseguir estructuras internas del material que aportan mejores características (resistencia mecánica y resistencia a la corrosión).

El estudio especializado  de las transformaciones  que  el  material  experimenta  en  el curso de estos tratamientos se hace en Ingeniería de los materiales (Metalotecnia).

El tratamiento  térmico más importante  de las aleaciones de aluminio es el bonificado.

El bonificado se lleva a cabo en tres fases:

a. Calentamiento del material a temperatura superior a la de solubilización,  de tal modo que haya una disolución completa del metal o metales de aleación en el aluminio.

Se efectúa en horno a temperatura entre 430 y 600 °C.

Esta primera parte del tratamiento elimina los precipitados e impurezas que se han formado durante el proceso de colada de la aleación.

Esto es así porque en el molde de fusión los elementos de aleación reaccionan con el aluminio y forman compuestos que necesitan ser eliminados para no comprometer la resistencia mecánica final del metal.

Estos compuestos, que son normalmente intermetálicos,  se disuelven completamente en el aluminio por arriba de la temperatura de solubilización.

El metal se mantiene a temperatura constante el tiempo suficiente para disolución completa y homogénea de los elementos de aleación en el aluminio (de unas horas a un día, depende de la aleación).
Los compuestos intermetálicos contienen elementos metálicos y no metálicos, con estructura cristalina distinta a los constituyentes de la aleación.

Normalmente son frágiles.

b. La segunda fase del bonificado es el enfriamiento o apagado rápido de la solución en agua.

Esta operación y la anterior reciben el nombre de temple de disolución.

El temple permite mantener, a temperatura ambiente,  la condición sobresaturada  de los elementos de aleación conseguidos en el paso (a).

La velocidad del apagado depende del material y de la complicación de la pieza.

Debe ser menor si la pieza es complicada para no producir tensiones en el material por el cambio brusco de temperatura (por ejemplo, se puede enfriar en aceite o agua caliente).

La aleación después del apagado tiene conformabilidad muy notable, de manera que se puede trabajar con facilidad y sin ningún problema.

Esta propiedad dúctil es temporal porque dura aproximadamente unas dos horas (depende del tipo de aleación).

Pasado este tiempo, el trabajo en frío del metal se hace muy difícil y no se aconseja porque se pueden propiciar toda serie de grietas durante la manipulación mecánica.

c. Maduración.

Transcurrido un tiempo, las aleaciones de aluminio  maduran.

Maduración es el término que se emplea para designar el estado final de la aleación sometida a bonificado.

En este estado final el material adquiere su máxima resistencia mecánica y el trabajo en frío es muy difícil o imposible.

Salvo casos especiales, todas las operaciones de fabricación se deben efectuar antes de que la aleación madure.

La  maduración  se  puede  impedir,  momentáneamente, si el material se guarda en cámaras frigoríficas (  15  °C) una vez que se ha templado y que no se va a trabajar en esos momentos.

Por ejemplo, es la práctica normal que se sigue con los remaches, que se guardan en cámaras frigoríficas o neveras de tal forma que se sacan de ellas conforme se colocan en las piezas de unión.

La maduración y la adquisición plena de resistencia mecánica se obtienen una vez colocado el remache.

La maduración transforma la solución sólida sobresaturada en un precipitado de finas partículas que aumenta la resistencia mecánica del material.

Las aleaciones de aluminio, sin este proceso, no se podrían aplicar  en la estructura de los aviones actuales, que están sujetas a grandes esfuerzos.

Recuérdese: en aviación  es permanente  la exigencia de reducir peso estructural para disminuir el consumo  de combustible por milla náutica recorrida (Fórmula de Breguet).

 

Maduración natural y artificial

 

Citamos antes que la maduración puede ser natural o artificial.

La  maduración natural  es  un  proceso  muy lento, a veces de años, en el cual sigue aumentando  de forma paulatina  la resistencia mecánica del metal.

Normalmente,  en los primeros  días, después  del apagado, es cuando se produce  la tasa de aumento  de resistencia más alta; después,  lentamente, sigue  creciendo  pero a menor  ritmo.

Por ejemplo,  la conocida  aleación  7075 pasa de un límite elástico  de unos 340 MPa al finalizar el apagado,  a 550 MPa a los seis meses.

Así,  pues,  cuando   la  aleación   de  aluminio   no  es capaz, por sí misma, a temperatura ambiente, de alcanzar la maduración, es necesario  provocarla  artificialmente.

La maduración artificial  es, en  realidad,   un  nuevo   tratamiento  térmico   que  se efectúa  calentando el material  a temperatura relativamente baja (100 a 200 oq y enfriando después brusca­mente.

 Esto es suficiente para que el material  alcance la maduración y la mayor resistencia  mecánica posible. Técnicamente, desde  el  punto  de  vista  interno,  la maduración ocurre  a través  de modificaciones microestructurales complejas, que se estudian  en las Escuelas de Ingenieros con especialidad en Metalotecnia.

Por este motivo se han fabricado aleaciones Al especiales para aplicación en aviones supersónicos.

Por ejemplo, el supersónico anglofrancés Concorde (Mach 2,2) utilizó una aleación de aluminio denominada Hiduminium RR58, que hoy día se utiliza para pistones de motores alternativos.

Es una aleación de aluminio que lleva Cu, Ti, Ni, Fe, Mg y Si.

Estados estructurales de las aleaciones de aluminio

El estado  estructural  (tratamiento térmico) del material  es un dato esencial  de verificación del mismo, previo a cualquier trabajo  que se debe efectuar  con él.

 Por ello existe  una tabla  donde se explican  los estados estructurales de la aleación.

Los estados  estructurales  de  las  aleaciones ligeras  son  similares, bien  se trate de aleaciones de aluminio,  de aleaciones de magnesio o de aleaciones de titanio.

 

Aluminio para cableado eléctrico del avión

 

El aluminio encuentra  aplicación aeronáutica, distinta  a la estructural, en el campo del cableado  eléctrico.

Los  conductores eléctricos   de  aluminio   son  50  %más ligeros que los de cobre.

Ejemplo  de uso: el cableado  de aluminio  ha permitido un ahorro  de peso en el avión  Airbus A380 del 20% en  relación  con  el cableado  convencional total  de cobre.

La situación actual  es combinar  cable  de cobre y de aluminio.

 

Comportamiento de las aleaciones de aluminio con  la temperatura de trabajo.

 

El límite elástico y la resistencia  de todas las aleaciones de aluminio disminuyen con la temperatura de trabajo.

En aviones  supersónicos, donde el rozamiento del aire a alta velocidad aumenta  considerablemente  la temperatura del revestimiento, la aplicación del aluminio debe ser muy cuidadosa, cuando no imposible.

 En general, se puede decir que a partir de lOO a 150 oc las características de resistencia  mecánica  disminuyen   de  forma  acusada.

 Así,  a  150  °C, tanto  el módulo  de elasticidad de las aleaciones de aluminio, como  la resistencia mecánica, pueden  caer al 20 % de su valor a temperatura ambiente  de al nivel de mar.

Efectos de la temperatura.

Variación del Límite elástico en función de la temperatura de trabajo (°C) para tres aleaciones de AI  Li con cambios en proporciones de Fe y Ni. Comparación con la aleación de aluminio 2124.

Por ejemplo, en el citado avión, que tiene una longitud total de cableado eléctrico de 500 km, 300 de ellos son de aluminio y 200 km. de cable de cobre.