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Aleaciones de aluminio y litio

Las aleaciones de aluminio y litio (aleaciones 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; Luego, cada átomo de litio desplaza un átomo de aluminio de la red cristalina manteniendo la estructura de la red. 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 funciona hasta el límite de solubilidad del litio en aluminio, que es del 4,2%.
Endurecimiento por deformación
La introducción de otro tipo de átomo en el cristal deforma la red, lo que ayuda a bloquear las dislocaciones . El material resultante es, por tanto, más resistente, lo que permite utilizar menos cantidad. [ cita necesaria ]
Endurecimiento por precipitación
Cuando se envejece adecuadamente, el litio forma una fase metaestable de Al 3 Li (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 un envejecimiento excesivo con la formación de la fase estable de AlLi (β). [3] Esto también produce zonas libres de precipitados (PFZ), normalmente en los límites de los granos , 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. El 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 de red de 4,01 Å. [3] La estructura Al-Li se conoce como estructura NaTl, B32 o Fd 3 m [6] , que está hecha de litio y aluminio asumiendo estructuras de diamante y tiene un parámetro de red de 6,37 Å. El espacio interatómico del Al-Li (3,19 Å) es menor que el del litio puro o el del aluminio. [7]

Uso

Las aleaciones de Al-Li son de interés principalmente para la industria aeroespacial por su ventaja de peso. En los aviones de fuselaje estrecho , Arconic (anteriormente Alcoa ) afirma tener una reducción de peso de hasta un 10 % en comparación con los compuestos , lo que supone una eficiencia de combustible hasta un 20 % mayor , a un coste 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 . Se han empleado otras aleaciones de Al-Li en los revestimientos inferiores del ala del Airbus A380 , la estructura interna del ala 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 turbofan con engranajes Pratt & Whitney PurePower . [12] También se utilizan en los tanques de combustible y oxidante del vehículo de lanzamiento SpaceX Falcon 9 , las pinzas de freno de Fórmula Uno y 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 Centaur Forward Adapter del cohete Atlas V , [15] en la nave espacial Orion , y debían usarse en los cohetes Ares I y Ares V planeados (parte del programa Constellation cancelado ).

Las aleaciones de Al-Li generalmente se unen 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 el precio de la densidad; Weldalite 049 tiene aproximadamente la misma densidad que el aluminio 2024 y un módulo elástico un 5% más alto . [ cita necesaria ] Al-Li también se produce en rollos de hasta 220 pulgadas (18 pies; 5,6 metros), lo que puede reducir el número de uniones. [dieciséis]

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

Lista de aleaciones de aluminio y litio

Además de su designación formal de cuatro dígitos derivada de la composición de sus elementos , una aleación de aluminio y litio también se asocia con generaciones particulares, basándose principalmente en cuándo se produjo por primera vez, pero en segundo lugar en su contenido de litio. La primera generación duró desde la investigación inicial a principios del siglo XX hasta su primera aplicación aeronáutica a mediados del siglo XX. La segunda generación de Al-Li , compuesta por aleaciones destinadas a reemplazar directamente a las populares aleaciones 2024 y 7075 , 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 obtenido una amplia aceptación por parte de los fabricantes de aviones, 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 y al mismo tiempo conservar parte de la reducción de densidad; [18] Las densidades de Al-Li de tercera generación oscilan entre 2,63 y 2,72 gramos por centímetro cúbico (0,095 a 0,098 libras por pulgada cúbica). [19]

Aleaciones de primera generación (décadas de 1920 a 1960)

Aleaciones de segunda generación (décadas de 1970 y 1980)

Aleaciones de tercera generación (décadas de 1990 a 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 .

Ver también

Referencias

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Bibliografía

enlaces externos