Las aleaciones de aluminio-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 en tres efectos:
- Desplazamiento
- Un átomo de litio es más ligero que un átomo de aluminio; cada átomo de litio desplaza un átomo de aluminio de la red cristalina mientras mantiene la estructura de la red. Cada 1% en masa de litio agregado 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 . Por tanto, el material resultante es más resistente, lo que permite utilizar menos. [ cita requerida ]
- Endurecimiento por precipitación
- Cuando se envejece adecuadamente, el litio forma una fase Al 3 Li metaestable (δ ') con una estructura cristalina coherente. [2] Estos precipitados fortalecen el metal impidiendo el movimiento de dislocación durante la deformación. Sin embargo, los precipitados no son estables y se debe tener cuidado para evitar el sobreenvejecimiento con la formación de la fase estable AlLi (β). [3] Esto también produce zonas libres de precipitados (PFZ) típicamente 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 de la FCC , es muy diferente. Al 3 Li muestra una estructura reticular del 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 espaciado interatómico para Al – Li (3,19 Å) es más pequeño que el 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 pasajeros de fuselaje estrecho , Arconic (antes Alcoa ) afirma que hasta un 10% de reducción de peso 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 . Se han empleado otras aleaciones de Al-Li 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 turboventilador con engranajes Pratt & Whitney PurePower . [12] También se utilizan en los depósitos de combustible y oxidante en el SpaceX Falcon 9 vehículo de lanzamiento, Fórmula Uno pinzas de freno, y el AgustaWestland EH101 helicóptero . [13]
La tercera y última versión de los EE.UU. transbordador espacial 's tanque externo se hizo principalmente de Al-Li 2,195 aleación . [14] Además, las aleaciones de 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 planeados Ares I y Ares V (parte del programa de Constelación 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 requerida ] 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-litio son generalmente superiores a las aleaciones de aluminio-cobre o aluminio-zinc en la relación de resistencia máxima a peso, su baja 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 para 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-litio han provocado una escasez de aplicaciones.
Lista de aleaciones de aluminio-litio
Aparte de su designación formal de cuatro dígitos derivada de la composición de sus elementos , una aleación de aluminio-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 de antecedentes inicial a principios del siglo XX hasta su primera aplicación aeronáutica a mediados del siglo XX. La segunda generación de Al-Li, que consistía en aleaciones destinadas a reemplazar directamente las populares aleaciones 2024 y 7075 , tenía un alto contenido de litio de al menos 2%; esta característica produjo una gran reducción en la densidad pero tuvo 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 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 mientras conserva 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)
Nombre / número de aleación | Aplicaciones |
---|---|
1230 (VAD23) | Tu-144 |
1420 | Fuselajes, tanques de combustible y cabinas de MiG-29 ; Su-27 ; Tu-156 , Tu-204 y Tu-334 ; Fuselajes Yak-36 y Yak-38 |
1421 | |
2020 | Alas y estabilizadores horizontales A-5 Vigilante |
Aleaciones de segunda generación (décadas de 1970 a 1980)
Nombre / número de aleación | Aplicaciones |
---|---|
1430 | |
1440 | |
1441 | Be-103 y Be-200 |
1450 | An-124 y An-225 |
1460 | Vehículo de lanzamiento reutilizable McDonnell Douglas ( DC-X ); Tu-156 |
2090 (destinado a reemplazar 7075 ) | Bordes de ataque A330 y A340 ; C-17 Globemaster ; Adaptador de carga útil Atlas Centaur [21] |
2091 (CP 274) [22] (destinado a reemplazar 2024 ) | Puertas de acceso Fokker 28 y Fokker 100 en el carenado inferior del fuselaje [23] |
8090 (CP 271) (destinado a reemplazar 2024 ) | Fuselaje EH-101 ; [9] Bordes de ataque A330 y A340 ; Adaptador de carga útil Titan IV |
Aleaciones de tercera generación (décadas de 1990 a 2010)
Nombre / número de aleación | Aplicaciones |
---|---|
2050 (AirWare I-Gauge) [9] [24] | Lanzamiento de la tripulación Ares I - etapa superior; Costillas de ala A350 ; [24] Refuerzo del ala inferior del A380 [25] |
2055 [26] | |
2060 (C14U) | |
2065 [9] [19] | |
2076 | [19] |
2096 | |
2098 [27] [19] | |
2099 (C460) | Largueros A380 , vigas transversales extruidas, vigas longitudinales y rieles de los asientos; [28] Boeing 787 [9] |
2195 | Lanzamiento de la tripulación Ares I - etapa superior; [9] Última revisión del tanque externo superligero del transbordador espacial [29] Tanques propulsores Falcon 9 [30] |
2196 | Travesaños, vigas longitudinales y rieles de asiento extruidos A380 [28] |
2198 (AirWare I-Form) | Piel de fuselaje de A350 y CSeries ; [24] Cohete de segunda etapa Falcon 9 [9] |
2199 (C47A) | |
2296 | [19] |
2297 | F-16 mamparos [19] |
2397 | Mamparos F-16 ; Paneles de empuje entre tanques externos superligeros del transbordador espacial [19] |
Al – Li TP – 1 | |
C99N |
Otras aleaciones
- 1424 aleación de aluminio [31]
- 1429 aleación de aluminio [32]
- Aleación de aluminio 1441K [31]
- 1445 aleación de aluminio [31]
- Aleación de aluminio V-1461 [31]
- Aleación de aluminio V-1464 [31]
- Aleación de aluminio V-1469 [31]
- Aleación de aluminio 2094 [27]
- Aleación de aluminio 2095 ( Weldalite 049 ) [9]
- Aleación de aluminio 2097 [27]
- 2197 aleación de aluminio [27]
- Aleación de aluminio 8025 [27]
- 8091 aleación de aluminio [27]
- 8093 aleación de aluminio [27]
- CP 276 [9]
Sitios de producción
Los principales productores mundiales de productos de aleación de aluminio y litio son Arconic , Constellium y Kamensk-Uralsky Metalurgical Works .
- Centro técnico de Arconic (Upper Burrell, Pensilvania, EE. UU.) [9]
- Arconic Lafayette (Indiana, Estados Unidos); capacidad anual de 20.000 toneladas métricas (22.000 toneladas cortas; 20.000.000 kg; 44.000.000 lb) de aluminio-litio [9] y capaz de fundir lingotes redondos y rectangulares para aplicaciones laminadas, extruidas y forjadas
- Arconic Kitts Green (Reino Unido)
- Planta Rio Tinto Alcan Dubuc (Canadá); capacidad 30.000 t (33.000 toneladas cortas; 30.000.000 kg; 66.000.000 lb)
- Constellium Issoire (Puy-de-Dôme), Francia; capacidad anual de 14.000 t (15.000 toneladas cortas; 14.000.000 kg; 31.000.000 lb) [9]
- Obras metalúrgicas de Kamensk-Uralsky (KUMZ)
- Aleris (Koblenz, Alemania)
- Corporación FMC
- Aluminio suroeste (PRC)
Ver también
- Aleación de aluminio
- Aleaciones de magnesio-litio
- DESTELLO
- Plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP)
Referencias
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enlaces externos
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