El mercado de los componentes aeroespaciales y de los componentes aeronáuticos de precisión

Los tiempos han cambiado. Un jet típico en construcción hoy en día consta de solo un 20% de aluminio puro. La mayoría de los materiales de construcción no críticos (paneles e interiores estéticos) ahora consisten en polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) y materiales de nido de abeja aún más livianos. Mientras tanto, para las piezas del motor y los componentes críticos de los componentes de aviones de precisión, hay un énfasis simultáneo en un menor peso y una mayor resistencia a la temperatura para una mejor eficiencia del combustible, incorporando metales nuevos o que antes no eran prácticos para mecanizar a la combinación de materiales aeroespaciales.

Aeroespacial único entre las industrias

La fabricación aeroespacial es única entre otros sectores de producción en masa, especialmente en la producción de motores aeronáuticos. El motor es el componente más complejo de un avión, contiene la mayoría de los componentes individuales y, en última instancia, determina el consumo de combustible. La llegada de motores de mezcla pobre con potenciales de temperatura de hasta 3800 °F (2100 °C) ha ayudado a aumentar la demanda de estos nuevos materiales. Dado que las superaleaciones actuales tienen un punto de fusión de alrededor de 1850 °C (3360 °F), encontrar materiales que puedan soportar temperaturas más altas se convierte en un desafío.

Para cumplir con estos requisitos de temperatura, las superaleaciones resistentes al calor (HRSA) ahora se están introduciendo en la ecuación del material, incluidas las aleaciones de titanio, las aleaciones de níquel y algunos materiales compuestos no metálicos, como la cerámica. Estos materiales parecen ser más difíciles de mecanizar que el aluminio tradicional, lo que históricamente significa una vida útil más corta de la herramienta y menos seguridad del proceso.

También existe un alto riesgo de proceso en el mecanizado de piezas aeroespaciales. Debido a que los márgenes de error son inexistentes a una altitud de crucero de 35 000 pies, las tolerancias en la industria aeroespacial son más precisas que en casi cualquier otra industria. Este nivel de precisión lleva tiempo. Se requieren tiempos de mecanizado más largos para cada componente, y más tiempo por pieza hace que la chatarra sea relativamente costosa, cuando se tiene en cuenta la inversión de tiempo. Además, en comparación con otras industrias, los pedidos de componentes aeroespaciales a menudo consisten en cantidades de tiradas cortas y plazos de entrega largos, lo que dificulta la programación de la productividad, el rendimiento y la rentabilidad.

A diferencia de cualquier otra industria, excepto la del petróleo y el gas, que también tiene requisitos de alta temperatura, presión y corrosión, los materiales aeroespaciales impactan en el diseño de los componentes. El diseño para la capacidad de fabricación (DFM) es el arte de ingeniería de diseñar componentes con un enfoque equilibrado, teniendo en cuenta tanto la función del componente como sus requisitos de fabricación. Este enfoque se aplica cada vez más en el diseño de componentes aeroespaciales y más en el diseño de componentes aeroespaciales y componentes de aeronaves de precisión, ya que sus componentes deben soportar ciertas cargas y resistencia a la temperatura, y algunos materiales solo pueden soportar esa cantidad. Los diseños de materiales y componentes realmente se impulsan entre sí, no uno tras otro. Esta relación entre material y diseño es especialmente importante cuando se estudian materiales de última generación. Por todas estas razones, los fabricantes de aviación son diferentes entre sí. No es de extrañar que su gama de materiales sea única.

Un nuevo paisaje material

El aluminio de aviación estándar (6061, 7050 y 7075) y los metales de aviación tradicionales (níquel 718, titanio 6Al4V e inoxidable 15-5PH) todavía se utilizan en la aviación. Sin embargo, estos metales ahora están dando terreno a nuevas aleaciones diseñadas para mejorar el costo y la eficiencia. Para ser claros, estos nuevos metales no siempre son nuevos, algunos han existido durante décadas. Más bien, son nuevos para las aplicaciones prácticas de fabricación, ya que las máquinas herramienta, la tecnología de herramientas y los recubrimientos de obleas son lo suficientemente avanzados como para lidiar con aleaciones difíciles de mecanizar. .

Aunque la cantidad de aluminio en los aviones está disminuyendo, su uso no está desapareciendo por completo. De hecho, el aluminio vuelve, especialmente en los casos en que la transición a CFRP ha resultado prohibitiva o ineficaz. Pero el aluminio que vuelve a aparecer no es el aluminio de tu padre. Por ejemplo, las arcillas de titanio (TiAl) y el aluminio de litio (Al-Li), que existen desde la década de 1970, solo han estado ganando terreno en la aviación desde el cambio de siglo.

Al igual que la aleación de níquel en sus propiedades de resistencia al calor, el TiAl conserva la fuerza y ​​la resistencia a la corrosión a temperaturas de hasta 600 °C (1112 °F). Pero TiAl es más fácil de mecanizar y muestra propiedades de maquinabilidad similares a las del titanio alfa-beta, como Ti6Al4V. Más importante aún, el TiAl puede mejorar la relación empuje-peso en los motores aeronáuticos porque tiene la mitad del tamaño de las aleaciones de níquel. Por ejemplo, tanto los álabes de turbinas de baja presión como los álabes de compresores de alta presión, fabricados tradicionalmente con superaleaciones densas a base de níquel, ahora se mecanizan a partir de aleaciones a base de TiAl. General Electric fue pionera en este desarrollo y utiliza álabes de turbina de baja presión TiAl en su motor GEnx, el primer uso a gran escala del material en un motor a reacción comercial, en este caso, el Boeing 787 Dreamliner.

Otra reintroducción del aluminio en la industria aeroespacial se puede encontrar en el ligero Al-Li, especialmente diseñado para mejorar las propiedades del aluminio 7050 y 7075. En general, la adición de litio fortalece al aluminio con menor densidad y peso, dos catalizadores para la evolución del material de aviación. La alta resistencia de las aleaciones de Al-Li, la baja densidad, la alta rigidez, la tolerancia al daño, la resistencia a la corrosión y la naturaleza amigable con la soldadura lo convierten en una mejor opción que el aluminio tradicional en los fuselajes de aviones comerciales. Actualmente, Airbus utiliza el AA2050. Mientras tanto, Alcoa utiliza el AA2090 T83 y el 2099 T8E67. La aleación también se encuentra en los tanques de combustible y oxidante de los cohetes espaciales SpaceX Falcon 9, y se usa ampliamente en los proyectos de cohetes y transbordadores de la NASA.

El titanio 5553 (Ti-5553) es otro metal relativamente nuevo en la aviación que muestra alta resistencia, peso ligero y buena resistencia a la corrosión. Los principales componentes estructurales, que deben ser más resistentes y ligeros que las aleaciones de acero inoxidable utilizadas anteriormente, son los puntos de aplicación ideales para esta aleación de titanio. Conocido como el triple 5-3, era un material extremadamente difícil de mecanizar, hasta hace poco. Se ha llevado a cabo una amplia investigación y desarrollo para que el metal sea práctico para el mecanizado, y recientemente se ha demostrado que el triple 5-3 es muy predecible debido a la consistencia del mecanizado similar a las aleaciones de titanio más tradicionales, como el Ti6Al4V mencionado anteriormente. Las diferencias en los dos materiales requieren el uso de diferentes datos de corte para lograr una vida útil similar de la herramienta. Pero cuando el operador ha establecido los parámetros apropiados, se puede predecir un número triple de 5-3 máquinas. La clave con Triples 5-3 es un funcionamiento un poco más lento y la optimización de la trayectoria de la herramienta y el sistema de enfriamiento para lograr un buen equilibrio entre la vida útil de la herramienta y la seguridad.

Ciertos componentes estructurales, como sujetadores, chasis y cilindros, requieren fuerza bruta y la ligereza es una prioridad menor. En tales casos, el acero aleado Ferrium S53 proporciona propiedades mecánicas iguales o mejores que los aceros convencionales de ultra alta resistencia, como 300M y SAE 4340, con el beneficio adicional de la resistencia general a la corrosión. Esto puede eliminar la necesidad de un recubrimiento de cadmio y el posterior procesamiento relacionado.

Los composites avanzan a pasos agigantados

Los materiales compuestos también constituyen una parte cada vez mayor del pastel de materiales aeroespaciales. Reducen el peso y el consumo de combustible a la vez que son fáciles de manejar, diseñar, moldear y reparar. La gama de compuestos aeroespaciales, que alguna vez se consideró solo para miembros estructurales livianos o componentes de cabina, ahora se extiende a componentes verdaderamente funcionales:revestimientos de alas y fuselaje, motores y tren de aterrizaje.

También es importante que los elementos compuestos se puedan moldear en formas complejas que requerirían mecanizado y unión en el caso de piezas metálicas. Los componentes compuestos preformados no solo son livianos y fuertes, sino que también reducen la cantidad de sujetadores y juntas pesados, que son posibles puntos de falla, en un avión. De esta manera, los materiales compuestos ayudan a impulsar la tendencia mundial de reducir la cantidad de componentes en ensamblajes completos, utilizando diseños de una sola pieza siempre que sea posible.

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