stringtranslate.com

Aleaciones de aluminio y litio

Las aleaciones de aluminio y litio (aleaciones de Al-Li) son un conjunto de aleaciones de aluminio y litio , que a menudo también incluyen cobre y circonio . Dado que el litio es el metal elemental menos denso , estas aleaciones son significativamente menos densas que el aluminio. Las aleaciones comerciales de Al-Li contienen hasta un 2,45 % de litio en masa. [1]

Estructura cristalina

La aleación con litio reduce la masa estructural por tres efectos:

Desplazamiento 
Un átomo de litio es más ligero que un átomo de aluminio; cada átomo de litio desplaza a un átomo de aluminio de la red cristalina, manteniendo al mismo tiempo la estructura reticular. Cada 1 % en masa de litio añadido al aluminio reduce la densidad de la aleación resultante en un 3 % y aumenta la rigidez en un 5 %. [1] Este efecto se manifiesta hasta el límite de solubilidad del litio en el aluminio, que es del 4,2 %.
Endurecimiento por deformación
La introducción de otro tipo de átomo en el cristal tensa la red, lo que ayuda a bloquear las dislocaciones . El material resultante es, por lo tanto, más resistente, lo que permite utilizar una menor cantidad. [ cita requerida ]
Endurecimiento por precipitación
Cuando se envejece adecuadamente, el litio forma una fase metaestable Al3Li (δ') con una estructura cristalina coherente. [2] Estos precipitados fortalecen el metal al impedir el movimiento de dislocación durante la deformación. Sin embargo, los precipitados no son estables y se debe tener cuidado para evitar el envejecimiento excesivo con la formación de la fase estable AlLi (β). [3] Esto también produce zonas libres de precipitados (PFZ) típicamente en los límites de grano y puede reducir la resistencia a la corrosión de la aleación. [4]

La estructura cristalina de Al 3 Li y Al–Li, aunque se basa en el sistema cristalino FCC , es muy diferente. Al 3 Li muestra una estructura reticular de casi el mismo tamaño que el aluminio puro, excepto que los átomos de litio están presentes en las esquinas de la celda unitaria. La estructura de Al 3 Li se conoce como AuCu 3 , L1 2 o Pm 3 m [5] y tiene un parámetro reticular de 4,01 Å. [3] La estructura de Al–Li se conoce como estructura NaTl, B32 o Fd 3 m [6] , que está hecha tanto de litio como de aluminio asumiendo estructuras de diamante y tiene un parámetro reticular de 6,37 Å. El espaciamiento interatómico para Al–Li (3,19 Å) es menor que el del litio puro o el aluminio. [7]

Uso

Las aleaciones de Al-Li son de interés principalmente para la industria aeroespacial por su ventaja de peso. En aviones de fuselaje estrecho , Arconic (anteriormente Alcoa ) afirma una reducción de peso de hasta un 10% en comparación con los compuestos , lo que lleva a una eficiencia de combustible hasta un 20% mejor , a un costo menor que el titanio o los compuestos. [8] Las aleaciones de aluminio y litio se utilizaron por primera vez en las alas y el estabilizador horizontal del avión militar norteamericano A-5 Vigilante . Otras aleaciones de Al-Li se han empleado en los revestimientos de las alas inferiores del Airbus A380 , la estructura del ala interior del Airbus A350 , el fuselaje del Bombardier CSeries [9] (donde las aleaciones constituyen el 24% del fuselaje), [10] el piso de carga del Boeing 777X , [11] y las aspas del ventilador del motor de avión turbofán con engranajes Pratt & Whitney PurePower . [12] También se utilizan en los tanques de combustible y oxidante del vehículo de lanzamiento Falcon 9 de SpaceX , en las pinzas de freno de Fórmula Uno y en el helicóptero AgustaWestland EH101 . [13]

La tercera y última versión del tanque externo del transbordador espacial estadounidense estaba hecha principalmente de aleación Al-Li 2195. [ 14] Además, las aleaciones Al-Li también se utilizan en el adaptador delantero Centaur en el cohete Atlas V , [15] en la nave espacial Orion , y se iban a utilizar en los cohetes Ares I y Ares V planificados (parte del programa Constellation cancelado ).

Las aleaciones de Al-Li se unen generalmente mediante soldadura por fricción y agitación . Algunas aleaciones de Al-Li, como Weldalite 049, se pueden soldar de forma convencional; sin embargo, esta propiedad tiene como precio la densidad; Weldalite 049 tiene aproximadamente la misma densidad que el aluminio 2024 y un módulo elástico un 5 % superior . [ cita requerida ] El Al-Li también se produce en rollos de hasta 220 pulgadas (18 pies; 5,6 metros) de ancho, lo que puede reducir la cantidad de uniones. [ 16 ]

Aunque las aleaciones de aluminio-litio son generalmente superiores a las aleaciones de aluminio-cobre o aluminio-zinc en la relación resistencia máxima al peso, su baja resistencia a la fatiga bajo compresión sigue siendo un problema, que solo se ha resuelto parcialmente a partir de 2016. [17] [13] Además, los altos costos (alrededor de 3 veces o más que las aleaciones de aluminio convencionales), la baja resistencia a la corrosión y la fuerte anisotropía de las propiedades mecánicas de los productos laminados de aluminio-litio han dado como resultado una escasez de aplicaciones.

El polvo de aleación de aluminio y litio se utiliza en la producción de artículos deportivos ligeros, como bicicletas, raquetas de tenis , palos de golf y bates de béisbol . Su alta resistencia combinada con un peso reducido mejora significativamente el rendimiento, la velocidad y la maniobrabilidad. [18] [19] También se utiliza en la industria automotriz como paneles de carrocería, piezas de chasis y componentes de suspensión. [20]

Lista de aleaciones de aluminio y litio

Aparte de su designación formal de cuatro dígitos derivada de su composición elemental , una aleación de aluminio-litio también se asocia con generaciones particulares, basadas principalmente en cuándo se produjo por primera vez, pero secundariamente en su contenido de litio. La primera generación duró desde la investigación de antecedentes inicial a principios del siglo XX hasta su primera aplicación aeronáutica a mediados del siglo XX. Compuesta por aleaciones que estaban destinadas a reemplazar directamente a las populares aleaciones 2024 y 7075 , la segunda generación de Al-Li tenía un alto contenido de litio de al menos el 2%; esta característica produjo una gran reducción en la densidad pero resultó en algunos efectos negativos, particularmente en la tenacidad a la fractura . La tercera generación es la generación actual de productos Al-Li que está disponible, y ha ganado una amplia aceptación por parte de los fabricantes de aeronaves, a diferencia de las dos generaciones anteriores. Esta generación ha reducido el contenido de litio a 0,75-1,8% para mitigar esas características negativas al tiempo que conserva parte de la reducción de la densidad; [21] Las densidades de Al-Li de tercera generación varían de 2,63 a 2,72 gramos por centímetro cúbico (0,095 a 0,098 libras por pulgada cúbica). [22]

Aleaciones de primera generación (década de 1920-1960)

Aleaciones de segunda generación (década de 1970 y 1980)

Aleaciones de tercera generación (década de 1990-década de 2010)

Otras aleaciones

Sitios de producción

Los principales productores mundiales de productos de aleación de aluminio y litio son Arconic , Constellium y Kamensk-Uralsky Metallurgical Works .

Véase también

Referencias

  1. ^ ab Joshi, Amit. "La nueva generación de aleaciones de aluminio y litio" (PDF) . Instituto Indio de Tecnología, Bombay . Metal Web News. Archivado desde el original (PDF) el 28 de septiembre de 2007. Consultado el 3 de marzo de 2008 .
  2. ^ Starke, EA; Sanders, TH; Palmer, IG (20 de diciembre de 2013). "Nuevos enfoques para el desarrollo de aleaciones en el sistema Al–Li". JOM: The Journal of the Minerals, Metals & Materials Society . 33 (8) (publicado en agosto de 1981): 24–33. doi :10.1007/BF03339468. ISSN  1047-4838. OCLC  663900840.
  3. ^ ab Mahalingam, K.; Gu, BP; Liedl, GL; Sanders, TH (febrero de 1987). "Engrosamiento de precipitados de [delta]'(Al3Li) en aleaciones binarias de Al–Li". Acta Metallurgica . 35 (2): 483–498. doi :10.1016/0001-6160(87)90254-9. ISSN  0001-6160. OCLC  1460926.
  4. ^ Jha, SC; Sanders, TH; Dayananda, MA (febrero de 1987). "Zonas libres de precipitados en los límites de grano en aleaciones de Al-Li". Acta Metallurgica . 35 (2): 473–482. doi :10.1016/0001-6160(87)90253-7. ISSN  0001-6160. OCLC  1460926.
  5. ^ "Estructuras de red cristalina: la estructura Cu3Au (L12)". Laboratorio de Investigación Naval (NRL) Centro de Ciencia Computacional de Materiales . 21 de octubre de 2004. Archivado desde el original el 6 de abril de 2010.
  6. ^ "Estructuras de red cristalina: la estructura NaTl (B32)". Laboratorio de Investigación Naval (NRL) Centro de Ciencia Computacional de Materiales . 17 de febrero de 2007. Archivado desde el original el 12 de junio de 2011.
  7. ^ Kishio, K.; Brittain, JO (1979). "Estructura defectuosa de [beta]-LiAl". Revista de Física y Química de Sólidos . 40 (12): 933–940. Código Bibliográfico :1979JPCS...40..933K. doi :10.1016/0022-3697(79)90121-5. ISSN  0038-1098. OCLC  4926011580.
  8. ^ Lynch, Kerry (8 de agosto de 2017). «FAA emite condiciones especiales para la aleación Global 7000». Noticias de aviación internacional . Archivado desde el original el 11 de agosto de 2017. Consultado el 7 de marzo de 2019 .
  9. ^ abcdefghijkl Djukanovic, Goran (5 de septiembre de 2017). «Las aleaciones de aluminio y litio contraatacan». Archivado desde el original el 23 de noviembre de 2017. Consultado el 7 de marzo de 2019 .
  10. ^ Bhaskara, Vinay (2 de noviembre de 2015). "Batalla de las regionales: ERJ vs CSeries vs MRJ vs SSJ: Introducción y descripción general del mercado". Revista Airways . Archivado desde el original el 7 de marzo de 2019.
  11. ^ "Alcoa gana el cuarto contrato con Boeing en una serie de acuerdos recientes" (nota de prensa). 28 de enero de 2016. Archivado desde el original el 7 de marzo de 2019 . Consultado el 7 de marzo de 2019 .
  12. ^ "Alcoa anuncia el primer motor a reacción en un acuerdo de suministro de 1100 millones de dólares con Pratt & Whitney: presenta la primera forja de álabes de ventilador de aleación de aluminio avanzada del mundo para el álabes de ventilador híbridos metálicos de Pratt & Whitney para los motores PurePower®" (Comunicado de prensa). Nueva York, NY, EE. UU. y Farnborough, Inglaterra, Reino Unido. 14 de julio de 2014. Archivado desde el original el 7 de marzo de 2019 . Consultado el 7 de marzo de 2019 .
  13. ^ ab "MEE433B: Aleaciones de aluminio y litio". Facultad de Ciencias Aplicadas de la Queen's University . Archivado desde el original el 6 de agosto de 2004.
  14. ^ "Datos de la NASA: Tanque externo superligero" (PDF) (Comunicado de prensa). Huntsville, Alabama: Centro Marshall para Vuelos Espaciales de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA). Abril de 2005. Archivado (PDF) desde el original el 4 de enero de 2006.
  15. ^ "Atlas V". Archivado desde el original el 30 de octubre de 2008. Consultado el 7 de marzo de 2019 .
  16. ^ "Más ligero, más fuerte y más grande que nunca: Arconic ayuda a construir el futuro de la aviación con aluminio-litio avanzado". Archivado desde el original el 15 de abril de 2017. Consultado el 7 de marzo de 2019 .
  17. ^ Zhu, Xiao-hui; Zheng, Zi-qiao; Zhong, Shen; Li, Hong-ying (5–9 de septiembre de 2010). "Efecto de los elementos Mg y Zn en las propiedades mecánicas y precipitados en la aleación 2099" (PDF) . En Kumai, Shinji (ed.). ICAA12 Yokohama: actas. Actas de la Conferencia Internacional sobre Aleaciones de Aluminio. Vol. 12. Yokohama, Japón: Instituto Japonés de Metales Ligeros. págs. 2375–2380. ISBN 978-4-905829-11-9. OCLC  780496456. Archivado (PDF) del original el 6 de abril de 2017.
  18. ^ Chen, J (2010). "Capítulo 16 - Aleaciones ligeras de ingeniería de superficie para equipamiento deportivo". En Dong, Hanshan (ed.). Ingeniería de superficies de aleaciones ligeras . Woodhead Publishing. págs. 549–567. ISBN 9781845695378.
  19. ^ Q. Ashton Acton (2013). Metales ligeros: avances en investigación y aplicación: 2013. ScholarlyEditions. pág. 578. ISBN 978-1481677202.
  20. ^ "Polvo de aleación de aluminio y litio". Stanford Advanced Materials . Consultado el 7 de julio de 2024 .
  21. ^ abc Rioja, Roberto J.; Liu, John (septiembre de 2012). "La evolución de los productos a base de Al-Li para aplicaciones aeroespaciales y espaciales" (PDF) . Metallurgical and Materials Transactions A . 43 (9). Springer US (publicado el 31 de marzo de 2012): 3325–3337. Bibcode :2012MMTA...43.3325R. doi :10.1007/s11661-012-1155-z. ISSN  1073-5623. S2CID  136580310. Archivado desde el original el 20 de febrero de 2019 . Consultado el 9 de marzo de 2019 .
  22. ^ abcdefg Eswara Prasad, Gokhale y Wanhill 2014; Capítulo 15: Aplicaciones aeroespaciales de aleaciones de aluminio y litio
  23. ^ ab Grushko, Ovsyannikov y Ovchinnokov 2016; Capítulo 1: Breve historia de la creación de aleaciones de aluminio y litio
  24. ^ "Hoja informativa 6 – Parte II: Un plan conjunto para el desarrollo de tecnología de lanzadores". Proyecto de Historia del X-33 . 22 de diciembre de 1999. Archivado desde el original el 13 de febrero de 2016. Consultado el 11 de marzo de 2019 .
  25. ^ Eswara Prasad, N.; Gokhale, AA; Rama Rao, P. (febrero-abril de 2003). "Comportamiento mecánico de aleaciones de aluminio y litio". Sādhanā . 28 (1–2): 209–246. doi :10.1007/BF02717134. ISSN  0256-2499. OCLC  5652684711. S2CID  55008726. Archivado desde el original el 4 de abril de 2017 . Consultado el 18 de marzo de 2019 .
  26. ^ Vaessen, GJH; van Tilborgh, C.; van Rooijen, HW (3–5 de octubre de 1988). "Fabricación de artículos de prueba a partir de Al-Li 2091 para Fokker 100" (PDF) . Preámbulos de la conferencia AGARD n.º 444: Nuevas aleaciones ligeras . 67.ª reunión del Panel de estructuras y materiales en Mierlo, Países Bajos, del 3 al 5 de octubre de 1988. Mierlo, Países Bajos (publicado el 1 de agosto de 1989). págs. 13–1 a 13–12. ISBN 92-835-0519-0. OCLC  228022064. Archivado (PDF) del original el 25 de junio de 2021. Consultado el 18 de marzo de 2019 .Registro de catálogo NTRL de URL alternativa
  27. ^ abc Constellium (2 de octubre de 2012). Tecnología AIRWARE® de Constellium (tráiler). Archivado desde el original el 18 de diciembre de 2021.
  28. ^ Lequeu, Ph.; Lassince, Ph.; Warner, T. (julio de 2007). «Desarrollo de aleación de aluminio para el Airbus A380 – parte 2». Advanced Materials & Processes . Vol. 165, núm. 7. págs. 41–44. ISSN  0882-7958. OCLC  210224702. Archivado desde el original el 17 de marzo de 2019 . Consultado el 16 de marzo de 2019 .
  29. ^ Extrusiones de aleación de aluminio 2055-T84: Extrusiones de alta resistencia, resistentes a la fatiga y de baja densidad (PDF) (Informe técnico). Lafayette, Indiana: Arconic Forgings and Extrusions. Diciembre de 2016. Archivado (PDF) del original el 26 de octubre de 2017.
  30. ^ abcdefg Grushko, Ovsyannikov y Ovchinnokov 2016, pág. 9 (Tabla 1.2: Composición de las aleaciones de aluminio y litio registradas en Estados Unidos, Francia y Gran Bretaña)
  31. ^ ab Pacchione, M.; Telgkamp, ​​J. (5 de septiembre de 2006). "Desafíos del fuselaje metálico" (PDF) . 25.° Congreso Internacional de Ciencias Aeronáuticas (ICAS 2006) . Vol. 4.5.1. Hamburgo, Alemania. págs. 2110–2121. ISBN 978-0-9533991-7-8. OCLC  163579415. Archivado (PDF) del original el 27 de enero de 2018. Consultado el 7 de marzo de 2019 .directorio de conferencias
  32. ^ Niedzinski, Michael (11 de febrero de 2019). «Artículo: La evolución de las aleaciones de Al-Li de Constellium para aplicaciones en módulos de lanzamiento espacial y de tripulación». Light Metal Age: The International Magazine of the Light Metal Industry (publicado en febrero de 2019). pág. 36. ISSN  0024-3345. OCLC  930270638. Consultado el 17 de marzo de 2019 .
  33. ^ "Falcon 9". SpaceX. 2013. Archivado desde el original el 10 de febrero de 2007. Consultado el 6 de diciembre de 2013 .
  34. ^ abcdefg Grushko, Ovsyannikov y Ovchinnokov 2016, págs. 7-8 (Tabla 1.1: Aleaciones rusas de aluminio y litio)
  35. ^ Sauermann, Roger; Friedrich, Bernd; Grimmig, T.; Buenck, M.; Bührig-Polaczek, Andreas (2006). "Desarrollo de aleaciones de aluminio y litio procesadas mediante el proceso de contenedores Rheo" (PDF) . En Kang, C .G.; Kim, SK; Lee, SY (eds.). Procesamiento semisólido de aleaciones y compuestos . Fenómenos del estado sólido. Vol. 116–117 (publicado el 15 de octubre de 2006). págs. 513–517. doi :10.4028/www.scientific.net/SSP.116-117.513. ISBN 9783908451266. OCLC  5159219975. Archivado (PDF) del original el 2 de febrero de 2017. Consultado el 7 de marzo de 2019 .

Bibliografía

Enlaces externos