Futuro de las aleaciones aeroespaciales

Taller de materiales para la
industria aeroespacial
Instituto tecnológico de Chihuahua
INGENIERIA EN MATERIALES
Ing. Pedro Zambrando Bojorquez
Miriam Dallanne Villalobos Acosta 15060735
28/03/19

Taller de materiales para la industria aeroespacial
  
1
Objetivo
 Hacer un recopilado con los datos más veraces de la industria aeroespacial.
 Comprender el uso específico de cada uno como ingeniero en materiales.
 Comprender el pasado, presente y futuro de este tipo de industria.
Introducción
Los conceptos fundamentales y los enfoques de la ingeniería aeroespacial se destacan a través
de conferencias sobre aeronáutica, astronáutica y diseño. Conforme aumenta la demanda de
los sectores económicos y transporte debido al aumento de población, se buscan maneras cada
vez más eficientes y de bajo coste para poder equiparar el avance agigantado que se da año
con año. Conforme a esto, se buscan materiales cada vez mejores para las diversas
aplicaciones, en este trabajo se expondrán los materiales más utilizados en la industria
aeroespacial y aeronáutica.
En la actualidad, una de las más grandes industrias existentes es la aeronáutica. Desde sus
inicios, grandes avances y desarrollos tecnológicos han venido ocurriendo a través de los años,
incluyendo mejoras en los materiales de construcción, mejoras en los procesos de fabricación
y control de calidad que van de la mano con la creación de software de modelado y simulación
para estos propósitos como es Catia V5 entre otros, y avances en cuanto a los sistemas de
propulsión que nos han llevado a poder volar sobre distancias más grandes y a mayor altura,
en aviones cada vez más grandes y sofisticados, lo que ha permitido que miles de personas
vuelen a diario.
Sin embargo, el volar en aviones grandes se ha hecho tan natural para nosotros que pocas
veces nos detenemos a pensar cómo es posible. Mucho menos nos preocupamos por el
funcionamiento de sus componentes más importantes, como, por ejemplo, la turbina.

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Contenido
Objetivo......................................................................................................................................................1
Introducción...............................................................................................................................................1
Datos extra ................................................................................................................................................3
¿Qué es una turbina?.......................................................................................................................4
¿Cuáles son los tipos de turbinas usados en aviones? .............................................................4
Motores de avión...............................................................................................................................4
Solución ante la deformación .............................................................................................................4
Información complementaria ..................................................................................................................4
Nuevas aleaciones de titanio y aluminio reducen el peso de los motores de aviación en un
25 % ....................................................................................................................................................4
¿Inter metálicos?......................................................................................................................................4
¿Qué son las aleaciones Intermetálicas? .....................................................................................4
Mercado Mexicano...................................................................................................................................4
References ................................................................................................................................................4

  
3
Desarrollo de la industria
aeroespacial
Datos extra
  
Importancia de las aleaciones en la
fabricación de turbinas de avión

  
4
Información
complementaria
  
Una de las etapas fundamentales del diseño de un producto es la
selección de materiales para su fabricación. En esta fase, se deben
considerar los requisitos que debe satisfacer el material, y
seleccionarlo en base a sus propiedades, siendo consciente de sus
limitaciones y teniendo en cuenta el entorno de operación.
Una mala elección de materiales puede suponer costes económicos,
retrasos en la entrega del producto final, problemas de
funcionamiento, y, en el peor de los casos, la pérdida de vidas
humanas. (Abellán, 2015)
Motoresde avión
Los primeros motores fueron diseñados en las décadas de 1930 y
1940 por Frank Whittle en Reino Unido y por Hans von Ohain en
Alemania, enfrentados ambos en la carrera por el desarrollo de
armamento.
Estos motores, hechos de acero, tenían graves deficiencias.
"No tenían la capacidad de soportar temperaturas superiores a los 500
grados centígrados", explica Mike Hicks, director de materiales de
Rolls-Royce, el principal fabricante de turbinas para avión de Reino
Unido.
"Perdían fuerza rápidamente y no eran resistentes a la corrosión",
añade. Como respuesta, el equipo de Rolls-Royce volvió a poner el
trabajo que Whittle hizo en la década del 1940 sobre la mesa, en la
que también colocaron una tabla periódica. (Knight, 2015)
¿Qué es una turbina?
Una turbina es un
dispositivo mecánico
rotativo, conocida como una
turbomáquina motora,
motor rotativo o motor a
reacción. Toma energía del
flujo de un fluido y la
convierte en trabajo
mecánico al hacer pasar
dicho flujo a través de aletas
conocidas como álabes las
cuales están unidas a un eje
rotativo formando lo que se
conoce como rotor.
(CARMAN, 2015)
¿Cuáles son los tipos
de turbinas usados en
aviones?
Existen diferentes tipos de
turbinas, siendo los
turborreactores,
turboventiladores y
turbohélices. (CARMAN,
2015)

  
5
El tungsteno era demasiado pesado. El cobre se fundía a
temperaturas demasiado bajas. Pero el níquel, mezclado con un poco
de cromo, era la receta perfecta: toleraba altas temperaturas, era
fuerte, resistente a la corrosión, barato y ligero.
Y aún hoy, con los descendientes de aquellas primeras
superaleaciones, se produce la mayor parte de las partes traseras de
las turbinas, tanto de las que se usan en aviones como con las que se
genera energía.
Solución ante la deformación
Sin embargo, las palas de la turbina tienen que lidiar con algo más que
temperaturas extremas. Giran a tanta velocidad que su carga
centrífuga es equivalente a varias toneladas.
Esto, combinado con un calentamiento y una refrigeración constante,
puede desembocar en un problema conocido como "arrastre": la pala
se alarga lentamente hasta que empieza a golpear la carcasa de la
turbina.
La mayoría de los metales se componen de una miríada de diminutos
cristales fusionados, llamados granos. Pero sus límites son una fuente
de debilidad, ya que los cristales se pueden deslizar y el material
deformarse. Así que Rolls-Royce hizo frente a este problema creando
una pala con un solo cristal, de la misma manera que se generaban
cristales a partir del sulfato de cobre en los experimentos de química
del colegio.
Además, las aleaciones se mejoraron añadiéndoles otros elementos,
diez o más en total. Esto permitió a los diseñadores de las turbinas
ajustar los materiales de cada componente del motor.
Las aleaciones de base
níquel, muy utilizadas en el
campo de aplicaciones
aeroespacial. La (Nickel-
Co-Cr alloy, MAR-M 432) es
específicamente usada
para los álabes de las
turbinas de aviones.
Inicialmente se construían
los álabes en metales
ferrosos que nunca
permitieron un buen
desempeño debido a su
punto de fusión,
actualmente se han
desarrollado altas
aleaciones de:
• Níquel – Titanio
• Aluminio – Titanio
• Níquel – Aluminio
• (Cobalto,
Molibdeno y
Cromo)
Aunque estos resultan ser
sensiblemente costosos, su
peso disminuye en un 25%
y justifica la inversión del
material y la alta tecnología
necesaria para lograr estas,
hoy llamadas super
aleaciones y que en un
futuro serán solo un paso
más en la historia de
aviación.

  
6
Y es por estos ingredientes adicionales por los que la historia del motor
de avión se convirtió también en la historia de otro elemento químico,
uno aún más enigmático que el níquel.
Se trata del renio. Y añadiéndolo a la superaleación ayuda al
deslizamiento. Sin embargo, el renio es también una de las sustancias
más escasas de la tierra y se obtiene principalmente a partir de
minerales de molibdeno. La producción anual de renio del mundo son
unas escasas 40 toneladas y más de tres tercios de esa cantidad se
destinan a los superaliados. (Knight, 2015)
Tendencia y futuro de desarrollo de
aleaciones de uso aeroespacial
La disponibilidad de las superaleaciones durante las últimas décadas
ha conducido a un aumento constante de las temperaturas de entrada
de la turbina, y la tendencia se espera que continúe.
El futuro paradigma de las aleaciones es el enfoque y desarrollo en la
reducción de peso, en la mejora de la oxidación y en la resistencia a
la corrosión, mientras se mantienen la resistencia de la aleación.
Además, con la creciente demanda de alabes de turbinas para la
generación de energía, es indispensable y necesario reducir el costo
de las superaleaciones. (ING. Javier Cárdenas Fernández, 2015)
Con el objetivo de desarrollar una industria aeroespacial menos
contaminante y más respetuosa con el medio ambiente, el centro
tecnológico vasco IK4-Ideko ha presentado los avances en la
fabricación de materiales ligeros para la industria aeroespacial
logrados en el marco del proyecto europeo MMTech.
La iniciativa MMTech, iniciada en 2015, se centra en el desarrollo de
aleaciones de titanio más ligeras y resistentes para su uso en la
construcción de aviones.
Información
complementaria
  
  
Sandia National
Laboratories está
estudiando un nuevo
método para la fabricación
de superaleaciones,
conocido como radiólisis.
La radiólisis es un término
de química que hace
referencia al proceso de
división celular que
aparece bajo la acción de
los rayos ionizantes.
Se introduce un nuevo
ámbito de investigación en
la creación de aleaciones y
superaleaciones, a través
de la síntesis de
nanopartículas. Puede
haber considerables
desventajas en la
fabricación de aleaciones
con este método. Alrededor
de la mitad del uso de las
superaleaciones se
encuentran en aplicaciones
donde la temperatura de
servicio está cerca de la
temperatura de fusión de la
aleación.

  
7
Se trata del nuevo sistema de control adaptativo para el mecanizado
de aluminiuros de titanio gamma (y-TiAl), unas aleaciones muy ligeras
y resistentes que están consideradas como la nueva generación de
materiales para el futuro de la industria aeroespacial. Las aleaciones
y-TiAl tienen un enorme potencial para desbancar a otros tipos de
materiales comúnmente empleados en la industria aeronáutica,
debido a su extraordinaria resistencia específica. Sin embargo, estas
soluciones presentan el inconveniente de tener un coste elevado y ser
difíciles de procesar. (Interempresas, 2017)
Además de ser más ligeras, las principales ventajas que presentan las
aleaciones TiAl son una buena resistencia a la oxidación, al
sobrecalentamiento y sobre todo a la fluencia (una deformación que
tiene lugar cuando los materiales trabajan bajo tensión a alta
temperatura y que es necesario evitar a toda costa).
Por todo ello, las aleaciones TiAl se han convertido en la mejor
alternativa para reemplazar las hasta ahora empleadas en las turbinas
de aviación, ya que reducirían el peso de los motores entre un 20 y 30
% consiguiendo así un aumento significativo en el rendimiento del
propio motor y una mayor eficiencia del combustible. Con el propósito
de aumentar la temperatura de servicio de los componentes
aeronáuticos, este trabajo estudia los efectos de la incorporación de
distintos elementos químicos en las aleaciones TiAl a fin de desarrollar
materiales competitivos mejorados.
Una de las aleaciones más relevantes y recientes, aparte de los
elementos químicos principales (titanio y aluminio), presenta un
contenido equilibrado de niobio y molibdeno y pequeñas cantidades
de silicio y carbono.(Tecnologia, 2018)
Información
complementaria
  
  Nuevas aleaciones de
titanio y aluminio
reducen el peso de los
motores de aviación en
un 25 %
Hasta ahora, las
superaleaciones de base
níquel han sido el material
predominante en la
fabricación de los álabes de
las turbinas de los aviones,
debido a su capacidad para
soportar las elevadas cargas
mecánicas y térmicas a las
que son sometidos en
condiciones de servicio. Una
desventaja de dichas
superaleaciones es su alta
densidad, que en los TiAl
queda reducida a casi la
mitad. (Tecnologia, 2018)

  
8
Perspectiva de desarrollo en México
De acuerdo con el estudio “Diagnóstico de la Industria Aeroespacial”,
realizado por ProMéxico, el país se ha consolidado como un líder
global en el sector aeroespacial (ocupa el lugar 14 en ranking global
de la industria) con un nivel de exportaciones que ha registrado un
crecimiento de 14.1% durante el periodo 2006-2015.
“México ha forjado su vocación como un centro de manufactura,
ingeniería y desarrollo con alto valor estratégico. Esto se debe al grado
de sofisticación tecnológica de sus exportaciones, al talento existente
en ingeniería (el país registra el mayor número de egresados del
continente americano), así como a la calidad y competitividad de su
mano de obra. Aunado a ello, el respeto a la propiedad industrial se
ha convertido en un factor determinante”, puntualiza el estudio.
En este sentido, datos de la Federación Mexicana de la Industria
Aeroespacial (FEMIA) señalan que en México existen entre 320 a 330
instalaciones industriales (plantas) divididas de la siguiente manera:
• 79%, MFG - Manufacturing
• 11%, MRO - Maintenance Repair Overhaul
• 10%, I&D - Research and Development
Cabe señalar que dichas plantas están concentradas principalmente
en cinco regiones: Baja California, Sonora, Chihuahua, Nuevo León y
Querétaro, y que la mayor parte cuenta con certificaciones NADCAP
y AS9100.
Asimismo, FEMIA refiere que los datos preliminares de 2016 indican
que el país exportó 7,200 millones de dólares, lo cual representó un
crecimiento de alrededor de 10% (en relación al 2015). Entre los
principales productos y servicios en el país se encuentran:
¿Inter metálicos?
  
   ¿Qué son las
aleaciones
Intermetálicas?
Los Intermetálicos son
materiales con una
disposición de átomos
mixtas de metal-metal o
metal-semimetal
generalmente en una
composición casi
estequiométrica, por
ejemplo, Ni3AI, FeAl, TiAl,
MoSi2, etc. Aquí el níquel
(Ni), hierro (Fe), titanio (Ti) y
molibdeno(Mo) juegan el
papel de metal y el aluminio
(Al) y el silice(Si) el de
metal/semimetal.
En tales casos la unión
metal-metal o metal-
semimetal toma naturaleza
parcialmente metálica y
parcialmente covalente (o
iónica). (Muñoz-Morris*,
2005)

  
9
• Componentes para Sistema de Propulsión
• Aeroestructuras (sheet metal)
• Componentes Sistema de Aterrizaje
• Mecanizados de Precisión
• Partes plásticas
• Tratamientos superficiales
• Sistemas eléctricos y electrónicos
• Partes de material compuesto
• Ingeniería y Diseño
• Servicios de MRO
Finalmente, FEMIA plantea las siguientes metas para el año 2020: que
México se ubique entre los 10 países más importantes de la industria
aeroespacial mundial, que las exportaciones lleguen a 12,000 millones
de dólares, que haya más de 110,000 empleos y que se alcance 50%
de valor de saldo superávit en balanza comercial. (Pineda, 2017)
Para el 2020 se proyecta que México tenga una plataforma industrial
competitiva para ser un hub de manufactura aeroespacial mundial,
que se consolide como uno de los proveedores principales de Estados
Unidos.
Dadas las perspectivas a corto y mediano plazo del crecimiento de la
economía Mexicana y del mercado internacional, se puede afirmar que
la industria aeroespacial cuenta con una inmensa oportunidad para
consolidarse como un sector estratégico con gran potencial para tener
efectos de arrastre sobre otros sectores y sobre la propia economía.
De acuerdo a los pronósticos de corto plazo, la industria aeroespacial
podrá crecer hasta tres veces más que la economía nacional.
(Economia, 2017)
Mercado Mexicano
  
  
El valor del mercado de
MRO representa en el
mediano y largo plazo una
gran oportunidad de
desarrollo para México,
actualmente en la estructura
de la industria aeroespacial
mexicana representa el 11%
con potencial de expansión y
crecimiento, esto apoyado
por factores tales como la
cercanía con los Estados
Unidos, el cual es el
mercado más grande en el
ámbito aeroespacial y con
mayor inversión en el tema
de MRO, quienes pudieran
transferir parte de estas
actividades a nuestro país.
La actividad restante sería
definir en cuál o cuáles de
los componentes que
integran el MRO, México
tiene mayor potencial.

  
10
Referencias
Abellán, J. (20 de Octubre de 2015). El rincón de Maxwell. Obtenido de El rincón de Maxwell:
https://elrincondemaxwell.wordpress.com/2015/10/20/seleccion-de-materiales-alabes-para-
turbinas-de-aviones/
Actualitix. (10 de 01 de 2016). Actualitix, word atlas - stadistics by country. Obtenido de Titanio Paises
exportadores: https://es.actualitix.com/pais/wld/titanio-paises-exportadores.php
Arechaga, R. U. (10 de 10 de 2012). Materiales de alto rendimiento para el sector más exigente. Obtenido
de interempresas.net: http://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/101083-
Materiales-de-alto-rendimiento-para-el-sector-mas-exigente.html
Askeland, D. R. (2010). Science Engineering Materials. California: Wadsworth Publishing Co Inc.
Avner, S. H. (1997). Introduction to Physical Metallurgy . New York: Mc Graw Hill.
CARMAN, G. (4 de Diciembre de 2015). GRUPO CARMAN,BLOG DE NOTICIAS, NOVEDADES Y
PROMOCIONES DEL GRUPO DE EMPRESAS CARMAN. Obtenido de GRUPO CARMAN,BLOG DE
NOTICIAS, NOVEDADES Y PROMOCIONES DEL GRUPO DE EMPRESAS CARMAN:
https://grupocarman.com/blog/turbinas-de-aviones/
Economia, S. d. (2017). Perspectivas del Sector Aeroespacial. México: Gobierno Mexicano.
ING. Javier Cárdenas Fernández, M. F. (2015). Superaleaciones. Estado de México: UNIVERSIDAD
NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO .
Interempresas. (19 de Octubre de 2017). Interempresas. Obtenido de Interempresas:
http://www.interempresas.net/Aeronautica/Articulos/197452-Nuevos-materiales-mas-ligeros-
para-el-sector-aeroespacial.html
Jha, P. K. (2013). Titanium Dioxide : Applications, Synthesis, and Toxicity. New York: Nova Science
Publishers, Inc. .
Knight, L. (23 de Mayo de 2015). BBC. Obtenido de BBC:
https://www.bbc.com/mundo/noticias/2015/05/150521_ciencia_niquel_metal_barato_vuelos_avi
on_lv
Muñoz-Morris*, D. M. (2005). Intermetálicos: pasado, presente y futuro . Revista de Metalurgia , 4.
OEC. (2016). OEC. Obtenido de Titanio: https://atlas.media.mit.edu/es/profile/hs92/8108/
P.J. Arrazola, A. G. (23 de 07 de 2013). Mecanizado de aleaciones de titanio empleadas en aeronáutica.
Obtenido de interempresas.net:

  
11
http://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/112422-Mecanizado-de-aleaciones-de-
titanio-empleadas-en-aeronautica.html
Perry, J. (2016). Titanium Alloys : Types, Properties, and Research Insights. Hauppauge, New York: Nova
Science Publishers, Inc. .
Pineda, M. (1 de Marzo de 2017). Modern Machine Stop. Obtenido de Modern Machine Stop:
https://www.mms-mexico.com/art%C3%ADculos/aeroespacial-una-industria-de-largo-plazo
Shackelford, J. F. (2005). Introduction to Materials Science for Engineers. California : Pearson.
Tecnologia, N. d. (25 de Octubre de 2018). NCYT, Noticias de Ciencia y Tecnología . Obtenido de
NCYT,Noticias de Ciencia y Tecnología : https://noticiasdelaciencia.com/art/30408/nuevas-
aleaciones-de-titanio-y-aluminio-reducen-el-peso-de-los-motores-de-aviacion-en-un-25
tecnologpolvos. (25 de Abril de 2014). Tecnología de polvos. Obtenido de Tecnología de polvos:
http://www.madrimasd.org/blogs/tecnologia_polvos/2014/04/25/77552
Zhang, L.-C. (2013). Titanium Alloys : Formation, Characteristics and Industrial Applications. Hauppauge,
New York : Nova Science Publishers, Inc. .

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