La piel de un avión es la superficie exterior que cubre 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 esencial en la aviación. El bloque de cilindros del motor que propulsó el avión de los hermanos Wright en Kitty Hawk en 1903 era una pieza fundida en 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, carenados, soportes fundidos 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 el armazón estructural de los conjuntos de fuselaje y alas. [2]
El fuselaje 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 los fuselajes. El duraluminio , la primera aleación de aluminio de alta resistencia y tratable térmicamente, se empleó inicialmente para el armazón de los 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 de fluencia de 70.000 psi), una aleación de Al-Zn-Mg-Cu, se introdujo en 1943. Desde entonces, la mayoría de las estructuras de aeronaves se han especificado en aleaciones de este tipo. El primer avión diseñado en 7075-T6 fue el bombardero de patrulla P2V de la Armada . En 1951 se desarrolló una aleación de mayor resistencia de la misma serie, la 7178-T6 (límite de fluencia de 78 000 psi), que en general no ha desplazado a la 7075-T6, que tiene una tenacidad a la fractura superior. La aleación 7178-T6 se utiliza principalmente en elementos 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 mayor ductilidad transversal que la 7075-T6. Actualmente está disponible en láminas, placas, extrusiones y piezas forjadas.
La aleación X7080-T7, con mayor resistencia a la corrosión bajo tensión que la 7079-T6, se está desarrollando para piezas gruesas. Debido a que es relativamente insensible a la velocidad de temple , se pueden producir buenas resistencias con tensiones de temple bajas en secciones gruesas.
El revestimiento de aleaciones de aluminio se desarrolló inicialmente para aumentar la resistencia a la corrosión de la chapa 2017-T4 y, de esta manera, reducir los requisitos de mantenimiento de las aeronaves de aluminio. El revestimiento de la chapa 2017 (y más tarde de la 2024-T3) consistía en aluminio de pureza comercial adherido metalúrgicamente a una o ambas superficies de la chapa.
La protección electrolítica, presente en condiciones húmedas o mojadas, se basa en el potencial de electrodo apreciablemente más alto 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 resistentes.
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, lo que ha impedido el uso de revestimientos exteriores de alclad . Como resultado, los requisitos de mantenimiento aumentaron y esto estimuló los programas de investigación y desarrollo que buscaban aleaciones de mayor resistencia con una resistencia mejorada 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 [ desambiguación necesaria ] , 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 aeronaves todavía es especificar piezas fundidas solo en lugares donde la falla de la pieza no puede causar la pérdida del avión. La redundancia en los sistemas de control hidráulico y por cable permite el uso de piezas fundidas.
La tecnología de fundición ha avanzado mucho en la última década. Se han modificado aleaciones tradicionales como la 355 y la 356 para producir mayores niveles de resistencia y ductilidad. Se desarrollaron nuevas aleaciones como la 354, la A356, la A357, la 359 y la Tens 50 para fundiciones de máxima resistencia. La alta resistencia va acompañada de una mayor integridad estructural y fiabilidad de rendimiento.
La soldadura por puntos y costura por resistencia eléctrica se utiliza para unir estructuras secundarias, como carenados, cubiertas de motor y refuerzos, a mamparos y revestimientos. Las dificultades en el control de calidad han dado lugar a 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 las uniones de producción, en particular 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 la aeronave. Ha demostrado ser satisfactoria para unir refuerzos, como secciones de sombrero a láminas y láminas frontales a núcleos de panal . Además, la unión adhesiva ha resistido exposiciones adversas, como la inmersión en agua de mar y atmósferas adversas.
Las estructuras primarias de aluminio soldadas por fusión en los aviones son prácticamente inexistentes, porque las aleaciones de alta resistencia que se utilizan tienen baja soldabilidad y baja eficiencia de unión por soldadura. Algunas de las aleaciones, como la 2024-T4, también tienen una resistencia a la corrosión reducida en la zona afectada por el calor si se dejan en el estado original de la soldadura.
Los procesos de soldadura mejorados y las aleaciones soldables de mayor resistencia desarrolladas durante la última década ofrecen nuevas posibilidades para las estructuras primarias soldadas. Por ejemplo, la soldabilidad y la resistencia de las aleaciones 2219 y 7039, y la capacidad de soldadura fuerte y la resistencia de X7005 abren nuevas vías para el diseño y la fabricación de estructuras aeronáuticas.
Los fuselajes de los aviones ligeros están compuestos principalmente por una estructura semimonocasco de aluminio, aunque algunos aviones ligeros tienen una estructura portante de estructura tubular con revestimiento de tela o aluminio, o ambos. El revestimiento de aluminio normalmente tiene el espesor práctico mínimo: de 0,015 a 0,025 pulgadas. Aunque los requisitos de resistencia de diseño son relativamente bajos, el revestimiento necesita una resistencia a la fluencia y una dureza moderadamente altas para minimizar el daño en el suelo causado por piedras, escombros, herramientas de mecánicos y manipulación general. Otros factores principales que intervienen en la selección de una aleación para esta aplicación son la resistencia a la corrosión, el coste y la apariencia. Las aleaciones 6061-T6 y alclad 2024-T3 son las principales opciones.
La chapa de revestimiento de los aviones ligeros de diseño y construcción recientes suele ser de alclad 2024-T3. La estructura interna está formada por largueros, largueros, mamparos, elementos de cuerda y diversos accesorios de fijación fabricados con extrusiones de aluminio, chapas conformadas, piezas forjadas y fundidas.
Las aleaciones más utilizadas para elementos 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 sometidas a mayores esfuerzos. La aleación 6061-T6 tiene una aplicación considerable para extrusiones que requieren secciones delgadas y una 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 de forja 6151-T6 se utilizan a menudo en accesorios diversos por razones de economía y mayor rendimiento frente a la corrosión, cuando las piezas no están sometidas a grandes esfuerzos.
Las aleaciones 356-T6 y A356-T6 son las principales aleaciones de fundición que se emplean para soportes, palancas acodadas, poleas y diversos accesorios. Las ruedas se producen en estas aleaciones como moldes permanentes o piezas fundidas en arena. Las piezas fundidas a presión en aleación A380 también son satisfactorias para las ruedas de aviones ligeros.
Para estructuras de baja tensión en aeronaves ligeras, a veces se emplean las aleaciones 3003-H12, H14 y H16; 5052-O, H32, H34 y H36; y 6061-T4 y T6. Estas aleaciones también son las principales opciones para tanques de combustible, aceite lubricante y aceite hidráulico, tuberías y tubos y soportes de instrumentos, 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 chapas de aeronaves ligeras 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 cadmiado se emplean con más frecuencia para obtener una mayor resistencia al corte y facilidad de manejo. La aleación 2024-T4 con un revestimiento anódico es estándar para tornillos, pernos y tuercas de aluminio fabricados según especificaciones militares. Sin embargo, la aleación 6262-T9 es superior para las tuercas, debido a su inmunidad virtual al agrietamiento por corrosión bajo tensión. [3]