La piel de un avión es la superficie exterior que recubre gran parte de sus alas y fuselaje . [1] Los materiales más utilizados son el aluminio y las aleaciones de aluminio con otros metales, incluidos el zinc , el magnesio y el cobre .
A medida que avanzaba el siglo XX, el aluminio se convirtió en un metal imprescindible en los aviones. El bloque de cilindros del motor que propulsaba el avión de los hermanos Wright en Kitty Hawk en 1903 era una pieza fundida de una aleación de aluminio que contenía un 8% de cobre; las palas de las hélices de aluminio aparecieron ya en 1907; y las cubiertas, asientos, capotas, soportes de fundición y piezas similares de aluminio eran comunes al comienzo de la Primera Guerra Mundial.
En 1916, L. Brequet diseñó un bombardero de reconocimiento que marcó el uso inicial del aluminio en la estructura de trabajo de un avión. Al final de la guerra, los Aliados y Alemania emplearon aleaciones de aluminio para la estructura estructural del fuselaje y los conjuntos de alas. [2]
La estructura de los aviones ha sido la aplicación más exigente para las aleaciones de aluminio; Hacer una crónica del desarrollo de las aleaciones de alta resistencia es también registrar el desarrollo de las células de los aviones. El duraluminio, la primera aleación de aluminio de alta resistencia y tratable térmicamente, fue empleado inicialmente para la estructura de dirigibles rígidos por Alemania y los aliados durante la Primera Guerra Mundial. El duraluminio era una aleación de aluminio, cobre y magnesio; se originó en Alemania y se desarrolló en los Estados Unidos como Alloy 17S-T (2017-T4). Se utilizó principalmente como lámina y placa. La aleación 7075-T6 (límite elástico de 70.000 psi), una aleación de Al-Zn-Mg-Cu, se introdujo en 1943. Desde entonces, la mayoría de las estructuras de aviones se han especificado en aleaciones de este tipo. El primer avión diseñado en 7075-T6 fue el bombardero patrulla P2V de la Armada. En 1951 se desarrolló una aleación de mayor resistencia de la misma serie, 7178-T6 (límite elástico de 78.000 psi); En general, no ha desplazado al 7075-T6, que tiene una tenacidad a la fractura superior. La aleación 7178-T6 se utiliza principalmente en miembros estructurales donde el rendimiento es crítico bajo cargas de compresión.
La aleación 7079-T6 se introdujo en los Estados Unidos en 1954. En secciones forjadas de más de 3 pulgadas de espesor, proporciona mayor resistencia y ductilidad transversal que la 7075-T6. Ahora está disponible en láminas, placas, extrusiones y forjados.
Se está desarrollando la aleación X7080-T7, con mayor resistencia a la corrosión bajo tensión que la 7079-T6, para piezas gruesas. Debido a que es relativamente insensible a la velocidad de enfriamiento, se pueden producir buenas resistencias con tensiones de enfriamiento bajas en secciones gruesas.
El revestimiento de aleaciones de aluminio se desarrolló inicialmente para aumentar la resistencia a la corrosión de la lámina 2017-T4 y así reducir los requisitos de mantenimiento de las aeronaves de aluminio. El revestimiento de la lámina 2017, y más tarde de la 2024-T3, consistía en aluminio de pureza comercial unido metalúrgicamente a una o ambas superficies de la lámina.
La protección electrolítica, presente en condiciones húmedas o mojadas, se basa en el potencial de electrodo considerablemente mayor del aluminio de pureza comercial en comparación con la aleación 2017 o 2024 en el temple T3 o T4. Cuando aparecieron 7075-T6 y otras aleaciones de Al-Zn-Mg-Cu, se desarrolló una aleación de revestimiento de aluminio y zinc 7072 para proporcionar un potencial de electrodo relativo suficiente para proteger las nuevas aleaciones fuertes.
Sin embargo, los aviones de alto rendimiento diseñados desde 1945 han hecho un uso extensivo de estructuras de revestimiento mecanizadas a partir de placas gruesas y extrusiones, excluyendo el uso de revestimientos exteriores alclad. Como resultado, los requisitos de mantenimiento aumentaron y esto estimuló los programas de investigación y desarrollo que buscaban aleaciones de mayor resistencia con mayor resistencia a la corrosión sin revestimiento.
Las piezas fundidas de aleación de aluminio se han utilizado tradicionalmente en hardware no estructural de aviones, como soportes de poleas, cuadrantes, dobladores, clips, conductos y guías de ondas. También se han empleado ampliamente en cuerpos de válvulas complejos de sistemas de control hidráulico. La filosofía de algunos fabricantes de aviones todavía es especificar piezas fundidas sólo en lugares donde la falla de la pieza no puede causar la pérdida del avión. La redundancia en los sistemas de control hidráulico y de cables "permite" el uso de piezas fundidas.
La tecnología de fundición ha logrado grandes avances en la última década. Las aleaciones tradicionales como 355 y 356 se han modificado para producir niveles más altos de resistencia y ductilidad. Se desarrollaron nuevas aleaciones como 354, A356, A357, 359 y Tens 50 para piezas fundidas de máxima resistencia. La alta resistencia va acompañada de una mayor integridad estructural y fiabilidad del rendimiento.
La soldadura por puntos y por costura por resistencia eléctrica se utiliza para unir estructuras secundarias, como carenados, capós de motor y dobladores, a mamparos y revestimientos. Las dificultades en el control de calidad han resultado en una baja utilización de la soldadura por resistencia eléctrica para la estructura primaria.
La soldadura ultrasónica ofrece algunas ventajas económicas y de control de calidad para la unión de producción, particularmente para láminas delgadas. Sin embargo, el método aún no se ha desarrollado ampliamente en la industria aeroespacial.
La unión adhesiva es un método común de unión tanto en estructuras primarias como secundarias. Su selección depende de la filosofía de diseño del fabricante de aviones. Ha demostrado ser satisfactorio para unir refuerzos, tales como secciones de sombrero a láminas y láminas frontales a núcleos alveolares. Además, las uniones adhesivas han resistido exposiciones adversas como la inmersión en agua de mar y las atmósferas.
Las estructuras primarias de aluminio soldadas por fusión en los aviones son prácticamente inexistentes, porque las aleaciones de alta resistencia utilizadas tienen baja soldabilidad y baja eficiencia en las uniones soldadas. Algunas de las aleaciones, como la 2024-T4, también ven reducida su resistencia a la corrosión en la zona afectada por el calor si se dejan en la condición de soldadura.
Los procesos de soldadura mejorados y las aleaciones soldables de mayor resistencia desarrolladas durante la última década ofrecen nuevas posibilidades para estructuras primarias soldadas. Por ejemplo, la soldabilidad y resistencia de las aleaciones 2219 y 7039, y la soldabilidad y resistencia de X7005, abren nuevas vías para el diseño y la fabricación de estructuras de aeronaves.
Los aviones ligeros tienen estructuras principalmente de construcción semimonocasco totalmente de aluminio; sin embargo, algunos aviones ligeros tienen una construcción de soporte de carga de armadura tubular con revestimiento de tela o aluminio, o ambos. El revestimiento de aluminio normalmente tiene el espesor mínimo práctico: 0,015 a 0,025 pulgadas. Aunque los requisitos de resistencia de diseño son relativamente bajos, el revestimiento necesita un límite elástico y una dureza moderadamente altos para minimizar el daño al suelo causado por piedras, escombros, herramientas mecánicas y manipulación general. Otros factores principales involucrados en la selección de una aleación para esta aplicación son la resistencia a la corrosión, el costo y la apariencia. Las aleaciones 6061-T6 y alclad 2024-T3 son las principales opciones.
La lámina de revestimiento de los aviones ligeros de diseño y construcción recientes generalmente es alclad 2024-T3. La estructura interna comprende largueros, largueros, mamparos, miembros de cuerda y diversos accesorios de fijación hechos de extrusiones de aluminio, láminas conformadas, forjados y piezas fundidas.
Las aleaciones más utilizadas para miembros extruidos son la 2024-T4 para secciones de menos de 0,125 pulgadas de espesor y para aplicaciones generales, y la 2014-T6 para secciones más gruesas y con mayor tensión. La aleación 6061-T6 tiene una aplicación considerable para extrusiones que requieren secciones delgadas y excelente resistencia a la corrosión. La aleación 2014-T6 es la principal aleación de forja, especialmente para trenes de aterrizaje y cilindros hidráulicos. La aleación 6061-T6 y su contraparte forjada 6151-T6 a menudo se utilizan en accesorios diversos por razones de economía y mayor rendimiento contra la corrosión, cuando las piezas no están sometidas a grandes esfuerzos.
Las aleaciones 356-T6 y A356-T6 son las principales aleaciones de fundición empleadas para soportes, palancas acodadas, poleas y diversos accesorios. Las ruedas se producen en estas aleaciones como molde permanente o fundición en arena. Las piezas fundidas a presión en aleación A380 también son satisfactorias para ruedas de aviones ligeros.
Para estructuras de baja tensión en aviones ligeros, aleaciones 3003-H12, H14 y H16; 5052-O, H32, H34 y H36; y a veces se emplean 6061-T4 y T6. Estas aleaciones también son selecciones principales para tanques, tuberías y soportes y tubos de instrumentos, combustible, aceite lubricante y aceite hidráulico, especialmente donde se requiere soldadura. Las aleaciones 3003, 6061 y 6951 se utilizan ampliamente en intercambiadores de calor soldados y accesorios hidráulicos. Las aleaciones desarrolladas recientemente, como 5086, 5454, 5456, 6070 y las nuevas aleaciones soldables de aluminio, magnesio y zinc, ofrecen ventajas de resistencia sobre las mencionadas anteriormente.
El ensamblaje de láminas de aviones ligeros se realiza predominantemente con remaches de aleaciones 2017-T4, 2117-T4 o 2024-T4. Los tornillos autorroscantes para chapa metálica están disponibles en aleaciones de aluminio, pero los tornillos de acero chapados en cadmio se emplean más comúnmente para obtener mayor resistencia al corte y capacidad de accionamiento. La aleación 2024-T4 con revestimiento anódico es estándar para tornillos, pernos y tuercas de aluminio fabricados según especificaciones militares. La aleación 6262-T9, sin embargo, es superior para las tuercas debido a su virtual inmunidad al agrietamiento por corrosión bajo tensión. [3]