viernes, 4 de abril de 2008

AEROMETALES


No pueden faltar en la formación de todo chorlito que se precie algunos conocimientos sobre las materias primas con las que se construyen los aviones. Los materiales son una de las cosas que hoy en día están evolucionando más rápidamente, y los humanos tienen puestas grandes esperanzas en esa evolución para conseguir su objetivo más apremiante: reducir el peso de los aviones, o, lo que es lo mismo, sacar más tajada, como ya sabemos. En esta ocasión nos centraremos en los tres metales más utilizados en aeronáutica: el aluminio, el titanio y el acero.


Estructura de un Boeing 737

En realidad, los avances en aeronáutica siempre han ido ligados a lo que los humanos han ido aprendiendo sobre materiales, y, en particular, sobre los metales. De hecho, todos los avances tecnológicos de la historia de la humanidad han estado íntimamente relacionados con ellos, desde que algún sujeto inspirado descubrió que había algunas rocas con las que se podían hacer muchas cosas (distintas de arrojarlas a la crisma de sus congéneres, se entiende). Los metales tienen unas propiedades muy particulares, entre ellas muy buenas características mecánicas (resistencia, tenacidad, dureza…), lo que los ha convertido en imprescindibles en casi todos los campos de la tecnología.


Instrumentos de la Edad de Hierro

Sin embargo, la mayoría de ellos tienen una densidad muy alta, lo que en un principio los hizo poco menos que inservibles en lo que se refiere a la estructura de los aviones. El aluminio es uno de los pocos metales que cumplen los requisitos de densidad y resistencia, aunque realmente no se pudo usar de forma eficaz hasta que se diseñó la estructura semimonocasco, de la que ya hemos hablado anteriormente. Aunque ya el primer avión de la historia, el Flyer de los hermanos Wright, llevaba un motor de cuatro cilindros con cárter de aluminio.


Motor de los hermanos Wright

El aluminio, aunque hoy en día parezca increíble (los humanos lo utilizan diariamente y para miles de cosas, hasta para envolver los bocadillos), fue en su momento uno de los metales más caros que existían, más incluso que el oro, debido a lo dificilísimo que era de obtener en estado puro (lo que, por supuesto, lo convirtió inmediatamente en un símbolo de riqueza que los más adinerados exhibían con ostentación); todo esto a pesar de ser el elemento más abundante en la corteza terrestre.


Broche en aluminio y oro del siglo XIX

Por suerte para todos aquellos humanos que no habían invertido en aluminio, hacia finales del siglo XIX se descubrió y puso en marcha el proceso electrolítico Hall-Héroult, que lo abarató considerablemente y hoy en día es el método de obtención más utilizado. Probablemente sin este descubrimiento la aeronáutica habría evolucionado de forma muy diferente, y es posible que los aviones siguieran aun hoy haciéndose de tela y madera, y hasta incluso pudiera ser que los cielos siguieran perteneciéndonos a nosotros... Lástima.



Aunque ahora están empezando a ser desplazados por los materiales compuestos, el aluminio y sus aleaciones han dominado la industria aeronáutica durante casi toda su historia, hasta el punto de que fue considerado un material estratégico durante la Segunda Guerra Mundial (razón por la cual el famoso «Spruce Goose» de Howard Hughes es de madera). El aluminio puro es muy ligero y resiste muy bien la corrosión, pero en cuanto a resistencia mecánica deja un poco que desear. Por ello en aeronáutica se utilizan más sus aleaciones con otros metales, que, aunque en general son de mayor densidad, mejoran considerablemente algunas propiedades en función de los componentes de la aleación. Se utilizan sobre todo las aleaciones aluminio-cobre (2024), que tienen alta resistencia mecánica y a fatiga, pero son muy sensibles a la corrosión, y aluminio-zinc (7075), que son las que mejores propiedades mecánicas tienen, alcanzando niveles de resistencia parecidos a los del acero, aunque también son algo vulnerables frente a la corrosión.


Hércules H-4 «Spruce Goose»

Sin embargo, las aleaciones de aluminio no son la panacea universal, ni mucho menos. Uno de los mayores problemas que tienen es que no toleran las altas temperaturas (siempre que se puede se evitan las soldaduras, y las uniones suelen hacerse con remaches o adhesivos). Por ello, en lugares como los motores, donde se alcanzan fácilmente temperaturas y presiones muy altas, son necesarios otros materiales que varían en función de la zona del motor.


Ala del A400M

Hasta los 600 ºC trabajan muy bien las aleaciones de titanio, por lo que, por su alta resistencia mecánica y su ligereza, se las utiliza en el fan y el compresor de los reactores. Para los álabes de las turbinas, que al estar tras la cámara de combustión pueden llegar a alcanzar los 1400 ºC, se utilizan aleaciones basadas en níquel y diversos sistemas de refrigeración, a pesar del aumento en peso que esto supone.


Materiales para las distintas partes de un reactor

El titanio es un metal caro, aunque quizá no tanto como lo fue en su día el aluminio; pero exactamente por la misma razón. Es el noveno elemento más abundante de la corteza terrestre (0,9%), el cuarto entre los metales, así que la cantidad de materia prima no es un problema. Extraerlo a partir de los óxidos en los que se presenta en la naturaleza ya es otra cuestión, y hasta que ocurra algo parecido a lo que pasó con el aluminio, y debido a su fuerte demanda, seguirá siendo un elemento que haya que usar con moderación.


Compresor con álabes de titanio

Y es que los humanos han encontrado muchísimas aplicaciones para el titanio. La industria aeroespacial ha sido y es su principal impulsora, pero su alta resistencia a la corrosión y al ataque químico, su ligereza y sus propiedades mecánicas similares a las del acero hacen que se utilice en reactores nucleares, barcos, coches y mil sitios más. Entre otras cosas, con él se fabrican piezas de repuesto para los propios humanos -o prótesis, como las llaman ellos-, ya que es uno de los pocos metales que el organismo tolera sin problemas (es biocompatible). Y también se utiliza con motivos estéticos no del todo justificables (algo por otra parte común cuando los humanos se meten en lo que ellos llaman «arte»).


Museo Guggenheim de Bilbao

El acero (hierro + carbono) es en general demasiado denso para utilizarlo extensivamente en los aviones, aunque de hecho sí que se utiliza en algunos puntos. Es el caso del tren de aterrizaje, donde la alta resistencia al impacto que se necesita se impone al ahorro de peso. Dicho acero (ojo, que no vale cualquiera: tiene que ser de alta resistencia) permite hacer estructuras muy robustas con poco material, así que su alta densidad se ve compensada en parte por este hecho, y de este modo se minimiza el espacio que ocupa el tren en la bodega del avión. Aun así, sólo el tren de aterrizaje supone un porcentaje importante del peso total de la aeronave, y una fuente de quebraderos de cabeza para los diseñadores. En el caso del X-15, por ejemplo, se utilizaron patines en lugar de ruedas con el único objetivo de ahorrar peso.


X-15
Detalle del tren de aterrizaje del An-225

De modo que el esquema de la composición de un avión típico, en líneas generales, es el siguiente: aleaciones de aluminio para la estructura y el revestimiento de las alas y el fuselaje, titanio en los álabes del compresor y otras piezas sometidas a altas temperaturas en los motores (o en las alas y el fuselaje de los aviones supersónicos), acero de alta resistencia para el tren de aterrizaje y otras zonas puntuales, y un porcentaje que depende del tipo de avión y, sobre todo, de la época en que se haya construido, de materiales compuestos en los lugares donde no haya esfuerzos muy grandes (un porcentaje que tiende a ser cada vez mayor). Más algunos otros materiales, aleaciones ligeras o de alta resistencia térmica, allí donde los anteriores no se puedan utilizar.


Materiales del F-18

25 piopíos:

hugetto dijo...

Muyyyyyy interesante, me encata tu blog ^^

Illaq dijo...

"Algo" de todo esto ya me sonaba... Pero reunido en tan poco espacio y de forma tan amena es difícil de encontrar.
¡Interesantísimo!

Francisco dijo...

Como siempre. Genial! Gracias chorlita.

Benjamin Nazka dijo...

Interesantísimo como siempre.

Sobre los hermanos Wright y el primer avión, has oído hablar de Alberto Santos Dumont?

Aster dijo...

Que cosas! Muy interesante tu blog, la de cosas que he aprendido sobre los aviones.

Giz dijo...

¿Completamos un poco?

Casi todos los metales se consideraban 'materiales estratégicos', por ello algunos aviones se construyeron o proyectaron en madera. Tal vez el 'Hecules' de Hughes (más conocido como 'Ganso de Pino') no sea el más adecuado para poner de manifiesto esto, pues tan solo se construyó uno y no funcionó de manera operativa. Son mucho más llamativos los Mosquito, LaGG3... construidos de madera, o el Go229 (Ho IX) proyectado y diseñado en madera, o cómo en algunos aviones el empenaje de cola empezó a fabricarse en madera para ahorrar peso.

Encantado de leerte de nuevo, como siempre.

UnAngel dijo...

Siempre es un placer aprender contigo.

Gracias

Lyd dijo...

Como siempre, gracias a todos por vuestros comentarios y valoraciones!

benjamín nazca: Sí, había oído hablar de Santos Dumont, pero más en relación con los globos y los dirigibles que con los aviones. Se recuerda a los hermanos Wright porque ellos lo consiguieron primero (en 1903), aunque el vuelo de Santos Dumont (en 1906) no necesitó de medios externos como el Wright Flyer. En cualquier caso, tanto los Wright como Dumont se merecen el reconocimiento mundial ;)

Giz: Gracias por los apuntes, como siempre. La verdad es que puse al Hércules como ejemplo porque era el que conocía (me encantó la peli de "El Aviador" :P). Ya sabes que en aviones históricos ando un poco pez...

Anónimo dijo...

Hola Lydia.
Dices que el titanio: "Es el noveno elemento más abundante de la corteza terrestre (0,9%), el cuarto entre los metales", y en el enlace a la Wikipedia dice: "se considera que es el cuarto metal estructural más abundante en la superficie terrestre y el noveno en la gama de metales industriales".
En fin, que me hago un lío y no me aclaro bien.

Besos, Konsejero

El Otro dijo...

Una vez ví un documental que hablaba de los problemas de las temperaturas extremas de las palas de los reactores. En ese documental decían que prácticamente cualquier metal se fundiría pero decían que estaban investigando componentes cerámicos porque al fin y al cabo si resistían el calor para ser los moldes de las palas resistirían el calor del motor.

Luego me comentó un tipo de Aena que estaba casi en lo cierto pero que los componentes cerámicos era muy frágiles y que no superaban el efecto 'pollo a 10.000m', lástima, me parecía una idea genial.

El Otro

Luis dijo...

Como siempre, espléndida anotación. Maravilloso.
Debería haber hecho esto hace mucho, pero lo hago ahora: felicitarte por este espléndido blog. Con seguridad uno de los mejores que leo, y créeme que leo muchos...
¡Y pensar que sólo eres un pájaro! Pronto haré algún comentario en mi blog sobre ti. ¡Y gracias!

Lyd dijo...

Konsejero: Cité casi textualmente lo que pone en los apuntes de clase, escritos por el profesor Tarín: "se puede decir que es del 0.9% de la corteza terrestre; lo que significa que es el noveno elemento y el cuarto metal más abundante". Observando la composición de la corteza terrestre, se ve que están primero los compuestos de Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na y K, en ese orden, y el Ti justo después (en novena posición). Con lo que el orden de los metales estructurales es Al, Fe, Mg y Ti. En la Wikipedia en inglés dicen que es el noveno elemento y el séptimo metal. Supongo que la diferencia está en qué es lo que se considera metal. En cualquier caso, desde el punto de vista de los metales que se utilizan en ingeniería, que es lo que nos interesa, es el cuarto. Y en cuanto a elementos, teniendo en cuenta que casi todos los compuestos de la lista anterior son óxidos, realmente el más abundante es el oxígeno, lo que lo colocaría en décima posición... Así que parece que lo más correcto es lo que dice la wikipedia en español (atendiendo a la clasificación entre metales y no metales de la tabla periódica).

El Otro: Sí, efectivamente ese es el gran problema de los materiales cerámicos (de lo contrario se utilizarían más). Lo que se utiliza son recubrimientos TBC (Thermal Barrier Coatings), de 1 a 5 mm de espesor, hechas con aleaciones de níquel y aluminio o cerámicas, junto con sistemas de refrigeración en el interior del álabe. Aquí, si te interesa saber más, lo cuentan de forma bastante exhaustiva (e interesante).

luis: Muchas gracias! ^^

Lyd dijo...

Vaya, no escribí bien el enlace a la página sobre álabes de turbinas. Es este.

Anónimo dijo...

Muy bueno el ultimo enlace!!!!

Luisfe

El Otro dijo...

He encontrado esto por ahí, reconocerás que los humanos sí han inventado formas raras de volar que no es copia de ningún animal... ;)

http://www.aerosml.com/ml866/

El Otro

Anónimo dijo...

Eres uno de mis bloger@s preferidos! Interesante y entretenido.

Felicidades y sigue asi!

Lyd dijo...

el otro: Un bicho muy chulo! Aunque lo cierto es que los peces llevan millones de años utilizando ese sistema, o, para ser exactos, uno lo bastante aproximado como para que no pueda considerarse una innovación total :P
Por cierto, has visto "el vuelo de los dragones"? Presta atención a la explicación, a partir del minuto 1:30. Me encanta! :D

Lyd dijo...

anónimo: Gracias! ^^

Anónimo dijo...

Oyeeee, que el Gugenheim no son plachas de titanio, son (vale que suena muy fino) piezas cerámicas con una deposición laser de titanio (algo como los relojes chapados en oro). Y tiene sus razones, ya que debido a la agresividad del ambiente de la ria de bilbao, si se hubiera utilizado otro metal industrial, pues no estaría tan reluciente, con acero quedaría óxido chungo, y con aluminio, primero se quedaría blanquezino y mate y luego crecerian mohos.

Si tambien podian haberse currao algun recubrimiento o incluso un pasivado (con el aluminio por ejemplo) pero es que son de Bilbao

Lyd dijo...

Hombre, anónimo, ya puestos a ponernos finos, también podríamos precisar que el recubrimiento no es titanio, en realidad, sino una aleación de cinc y titanio. En cualquier caso, la idea está clara: se gastaron una pasta. Pero mira, se han hecho famosos... (arquitectos...)

Muchas gracias por la aportación! ;)

Anónimo dijo...

Magnífico blog.
Respecto a este post en concreto me gustaría comentar algo. El tema que trata no es ni más ni menos que la química de materiales, disciplina fundamental para el progreso, como otras dentro de la química. Sin embargo, la única mención a la química es negativa: "...pero su alta resistencia a la corrosión y al ataque químico..."
Sí, lo habéis adivinado: soy químico.

Carlos dijo...

No has mencionado nada de las aleaciones de magnesio, que son muy ligeras. Aunque supongo que en aeronáutica se usarán poco porque son inflamables...

Al químico anónimo: Normlmente se la llama "Ciencia de materiales" e intervienen muchas más coas que la química. Sobre todo en las aleaciones de metales, donde se producen muchos más efectos por efecto de introducir elementos extraños en la estructura cristalina del metal base, que por la reacción química en si.

Lyd dijo...

De hecho, en realidad el artículo habla sobre Metalotecnia, que estudia las propiedades tanto físicas como químicas de los metales y sus aleaciones. Así que ningún químico debería sentirse ofendido ;)

No he mencionado nada sobre las aleaciones de magnesio porque no se utilizan tanto; me he dejado muchas cosas en el tintero, como de costumbre, porque los artículos ya son lo bastante largos como son. Hasta los años 60 se utilizaron mucho, pero supongo que desde la introducción de los materiales compuestos, que tienen en general mejores propiedades mecánicas, han pasado a segundo plano. Aunque el magnesio y sus compuestos son inflamables cuando están en forma de polvo, viruta o fundidos, en otras formas no lo son, y de hecho se utilizan en hornos de fundición y en motores por sus propiedades refractarias. En aeronáutica además se aplica mucho como aleante en pequeñas cantidades en el acero y el aluminio. Se usa mucho más en automoción, supongo que porque los materiales que lo han desbancado en aeronáutica son demasiado caros, y los coches están menos limitados por el peso y las propiedades mecánicas.

Anónimo dijo...

Buenas tardes.
Estaba buscando informacion de que material estan hechos los spoilers y encontre tu blog!
Genial! Muchas gracias.
Pero... ¿Tu sabrias decirme como se fabrican los flight spoilers y cómo se les acopla luego el sistema hidraulico que sirve para controlarlos?
1 saludo

JUANFRANK dijo...

saludos. veo que hay varios conocedores por aquí.
si alguien me puede ayudar con un link donde salga información bastante completa del titanio en la aeronáutica. esta información está muy buena pero necesito mas. es para realizar una exposición. Gracias



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