Tendencias del mercado en componentes aeroespaciales y de aeronaves de precisión

Los tiempos han cambiado. Un avión típico en construcción hoy consiste en 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 panal aún más ligeros. Mientras tanto, para piezas de motor y componentes críticos de componentes de aeronaves de precisión, hay un énfasis simultáneo en menor peso y mayor resistencia a la temperatura para una mejor eficiencia de combustible, trayendo metales nuevos o anteriormente imprácticos de mecanizar a la mezcla de materiales aeroespaciales.

Aeroespacial, único entre industrias

La fabricación aeroespacial es única entre otros sectores de producción en masa, especialmente en la producción de motores aero. El motor es el componente más complejo de un avión, contiene la mayor cantidad de 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 de materiales, incluyendo aleaciones de titanio, aleaciones de níquel y algunos materiales compuestos no metálicos como cerámicas. Estos materiales parecen ser más difíciles de mecanizar que el aluminio tradicional, lo que históricamente significa vida útil de herramienta más corta y menor seguridad de proceso.

También hay un alto riesgo de proceso en el mecanizado de piezas aeroespaciales. Debido a que los márgenes de error son inexistentes a 35.000 pies de altitud de crucero, las tolerancias en 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 el desecho sea relativamente costoso, al considerar la inversión de tiempo. Además, en comparación con otras industrias, los pedidos de componentes aeroespaciales a menudo consisten en cantidades de serie corta y plazos de entrega largos, lo que dificulta la planificación para productividad, rendimiento y rentabilidad.

A diferencia de cualquier otra industria salvo petróleo y gas, que también tiene requisitos de alta temperatura, presión y corrosión, los materiales aeroespaciales en sí mismos impactan el diseño de componentes. El diseño para fabricabilidad (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 está aplicando 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 necesitan soportar ciertas cargas y resistencia a la temperatura, y algunos materiales solo pueden aguantar tanto. Los diseños de materiales y componentes realmente se impulsan mutuamente, no uno tras otro. Esta relación entre material y diseño es especialmente importante al estudiar materiales de próxima 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 panorama de materiales

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

Aunque la cantidad de aluminio en aeronaves está disminuyendo, su uso no está desapareciendo por completo. De hecho, el aluminio vuelve, especialmente en casos donde la transición a CFRP ha resultado prohibitiva o ineficaz. Pero el aluminio que aparece de nuevo no es el aluminio de su padre. Por ejemplo, los aluminuros de titanio (TiAl) y el aluminio-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 resistentes al calor, TiAl retiene resistencia y resistencia a la corrosión a temperaturas de hasta 600 °C (1112 °F). Pero TiAl es más fácil de mecanizar, mostrando propiedades de mecanizabilidad similares al titanio alfa-beta, como Ti6Al4V. Más importante aún, TiAl puede mejorar la relación empuje-peso en motores aero porque es la mitad del tamaño de las aleaciones de níquel. Por ejemplo, tanto las palas de turbina de baja presión como las palas de compresor de alta presión, tradicionalmente hechas de superaleaciones densas a base de níquel, ahora se mecanizan a partir de aleaciones basadas en TiAl. General Electric fue pionera en este desarrollo y usa palas de turbina de baja presión de 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 encuentra en Al-Li ligero, especialmente diseñado para mejorar las propiedades del aluminio 7050 y 7075. En general, la adición de litio fortalece el aluminio con menor densidad y peso, dos catalizadores para la evolución del material aeroespacial. La alta resistencia de las aleaciones Al-Li, baja densidad, alta rigidez, tolerancia al daño, resistencia a la corrosión y naturaleza amigable para soldadura lo convierten en una mejor opción que el aluminio tradicional en fuselajes de aviones comerciales. Actualmente, Airbus usa AA2050. Mientras tanto, Alcoa usa AA2090 T83 y 2099 T8E67. La aleación también se encuentra en los tanques de combustible y oxidante de los cohetes espaciales SpaceX Falcon 9, y se usa extensamente en proyectos de cohetes y transbordadores de la NASA.

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 componentes estructurales principales, que deben ser más fuertes y ligeros que las aleaciones de acero inoxidable usadas 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 extensa investigación y desarrollo para hacer el metal práctico para mecanizado, y el triple 5-3 ha demostrado recientemente ser muy predecible debido a la consistencia de mecanizado similar a aleaciones de titanio más tradicionales como el mencionado Ti6Al4V. Las diferencias en los dos materiales requieren diferentes datos de corte para lograr una vida de herramienta similar. Pero cuando el operador tiene los parámetros apropiados configurados, un triple número de máquinas 5-3 puede predecirse. La clave con los Triples 5-3 es una operación un poco más lenta y optimización de la trayectoria de la herramienta y el sistema de refrigeración para lograr un buen equilibrio entre vida de herramienta y seguridad.

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

Los compuestos alcanzan su ritmo

Los materiales compuestos también constituyen una parte creciente de la tarta de materiales aeroespaciales. Reducen el peso y el consumo de combustible al tiempo que son fáciles de manejar, diseñar, moldear y reparar. Una vez considerados solo para miembros estructurales ligeros o componentes de cabina, la gama de compuestos aeroespaciales ahora se extiende a componentes verdaderamente funcionales —pieles de ala y fuselaje, motores y tren de aterrizaje.

También es importante, los elementos compuestos pueden formarse en formas complejas que requerirían mecanizado y unión en el caso de piezas metálicas. Los componentes compuestos preformados no solo son ligeros y fuertes, sino que también reducen el número de sujetadores y uniones pesados —que son puntos potenciales de fallo— en un avión. De esta manera, los materiales compuestos ayudan a impulsar la tendencia global de reducir el número de componentes en ensamblajes completos, utilizando diseños de una sola pieza siempre que sea posible.

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