Aleaciones de aluminio y litio

Las aleaciones de aluminio y 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 por tres efectos:

Desplazamiento 
Un átomo de litio es más ligero que un átomo de aluminio; cada átomo de litio desplaza a un átomo de aluminio de la red cristalina, manteniendo al mismo tiempo la estructura reticular. Cada 1 % en masa de litio añadido al aluminio reduce la densidad de la aleación resultante en un 3 % y aumenta la rigidez en un 5 %. [1] Este efecto se manifiesta hasta el límite de solubilidad del litio en el aluminio, que es del 4,2 %.
Endurecimiento por deformación
La introducción de otro tipo de átomo en el cristal tensa la red, lo que ayuda a bloquear las dislocaciones . El material resultante es, por lo tanto, más resistente, lo que permite utilizar una menor cantidad. [ cita requerida ]
Endurecimiento por precipitación
Cuando se envejece adecuadamente, el litio forma una fase metaestable Al3Li (δ') con una estructura cristalina coherente. [2] Estos precipitados fortalecen el metal al impedir el movimiento de dislocación durante la deformación. Sin embargo, los precipitados no son estables y se debe tener cuidado para evitar el envejecimiento excesivo con la formación de la fase estable AlLi (β). [3] Esto también produce zonas libres de precipitados (PFZ) típicamente en los límites de grano 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 FCC , es muy diferente. Al 3 Li muestra una estructura reticular de casi el 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 reticular de 4,01 Å. [3] La estructura de Al–Li se conoce como estructura NaTl, B32 o Fd 3 m [6] , que está hecha tanto de litio como de aluminio asumiendo estructuras de diamante y tiene un parámetro reticular de 6,37 Å. El espaciamiento interatómico para Al–Li (3,19 Å) es menor que el del 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 (anteriormente Alcoa ) afirma una reducción de peso de hasta un 10% 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 . Otras aleaciones de Al-Li se han empleado 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 turbofán con engranajes Pratt & Whitney PurePower . [12] También se utilizan en los tanques de combustible y oxidante del vehículo de lanzamiento Falcon 9 de SpaceX , en las pinzas de freno de Fórmula Uno y en el helicóptero AgustaWestland EH101 . [13]

La tercera y última versión del tanque externo del transbordador espacial estadounidense estaba hecha principalmente de aleación Al-Li 2195. [ 14] Además, las aleaciones 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 Ares I y Ares V planificados (parte del programa Constellation cancelado ).

Las aleaciones de Al-Li se unen generalmente 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 como precio la densidad; Weldalite 049 tiene aproximadamente la misma densidad que el aluminio 2024 y un módulo elástico un 5 % superior . [ cita requerida ] El Al-Li también se produce en rollos de hasta 220 pulgadas (18 pies; 5,6 metros) de ancho, lo que puede reducir la cantidad de uniones. [ 16 ]

Aunque las aleaciones de aluminio-litio son generalmente superiores a las aleaciones de aluminio-cobre o aluminio-zinc en la relación resistencia máxima al peso, su baja resistencia a la fatiga bajo compresión sigue siendo un problema, que solo se ha resuelto parcialmente a partir de 2016. [17] [13] Además, los altos costos (alrededor de 3 veces o más que las aleaciones de aluminio convencionales), la baja resistencia a la corrosión y la fuerte anisotropía de las propiedades mecánicas de los productos laminados de aluminio-litio han dado como resultado una escasez de aplicaciones.

El polvo de aleación de aluminio y litio se utiliza en la producción de artículos deportivos ligeros, como bicicletas, raquetas de tenis , palos de golf y bates de béisbol . Su alta resistencia combinada con un peso reducido mejora significativamente el rendimiento, la velocidad y la maniobrabilidad. [18] [19] También se utiliza en la industria automotriz como paneles de carrocería, piezas de chasis y componentes de suspensión. [20]

Lista de aleaciones de aluminio y litio

Aparte de su designación formal de cuatro dígitos derivada de su composición elemental , una aleación de aluminio-litio también se asocia con generaciones particulares, basadas principalmente en cuándo se produjo por primera vez, pero secundariamente 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. Compuesta por aleaciones que estaban destinadas a reemplazar directamente a las populares aleaciones 2024 y 7075 , la segunda generación de Al-Li tenía un alto contenido de litio de al menos el 2%; esta característica produjo una gran reducción en la densidad pero resultó en 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 aeronaves, 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 al tiempo que conserva parte de la reducción de la densidad; [21] Las densidades de Al-Li de tercera generación varían de 2,63 a 2,72 gramos por centímetro cúbico (0,095 a 0,098 libras por pulgada cúbica). [22]

Aleaciones de primera generación (década de 1920-1960)

Aleaciones de Al-Li de primera generación [23] [21]
Nombre/número de aleaciónAplicaciones
1230 (VAD23)Tu-144
1420Fuselajes, tanques de combustible y cabinas de los MiG-29 ; fuselajes de los Su-27 ; Tu-156 , Tu -204 y Tu-334 ; Yak-36 y Yak-38
1421
2020Alas y estabilizadores horizontales del A-5 Vigilante

Aleaciones de segunda generación (década de 1970 y 1980)

Aleaciones de Al-Li de segunda generación [23] [21]
Nombre/número de aleaciónAplicaciones
1430
1440
1441Be-103 y Be-200
1450An-124 y An-225
1460Vehículo de lanzamiento reutilizable McDonnell Douglas ( DC-X ); Tu-156
2090 (destinado a sustituir al 7075 )Bordes de ataque del Airbus A330 y Airbus A340 ; C-17 Globemaster ; Adaptador de carga útil Atlas Centaur [24]
2091 (CP 274) [25] (destinado a sustituir a 2024 )Puertas de acceso del Fokker 28 y Fokker 100 en el carenado inferior del fuselaje [26]
8090 (CP 271) (destinado a reemplazar 2024 )Estructura del avión EH-101 ; [9] bordes de ataque del Airbus A330 y Airbus A340 ; adaptador de carga útil Titan IV

Aleaciones de tercera generación (década de 1990-década de 2010)

Aleaciones de Al-Li de tercera generación
Nombre/número de aleaciónAplicaciones
2050 (AirWare I-Gauge) [9] [27]Vehículo de lanzamiento de tripulación Ares I – etapa superior; costillas del ala del A350 ; [27] refuerzo del ala inferior del A380 [28]
2055 [29]
2060 (C14U)
2065 [9] [22]
2076[22]
2096
2098 [30] [22]
2099 (C460)Largueros, travesaños extruidos, vigas longitudinales y rieles de asientos del A380 ; [31] Boeing 787 [9]
2195Vehículo de lanzamiento de tripulación Ares I – etapa superior; [9] Última revisión del tanque externo superligero del transbordador espacial [32] Tanques de combustible del Falcon 9 [33]
2196Vigas transversales, vigas longitudinales y rieles de asiento extruidos del A380 [31]
2198 (Formulario I de AirWare)Revestimiento del fuselaje del A350 y CSeries ; [27] Cohete de segunda etapa del Falcon 9 [9]
2199 (C47A)
2296[22]
2297Mamparos del F-16 [22]
2397Mamparos del F-16 ; paneles de empuje entre tanques externos superligeros del transbordador espacial [22]
TP-1 de aluminio y litio
C99N

Otras aleaciones

  • Aleación de aluminio 1424 [34]
  • Aleación de aluminio 1429 [35]
  • Aleación de aluminio 1441K [34]
  • Aleación de aluminio 1445 [34]
  • Aleación de aluminio V-1461 [34]
  • Aleación de aluminio V-1464 [34]
  • Aleación de aluminio V-1469 [34]
  • Aleación de aluminio V-1470 [34]
  • Aleación de aluminio 2094 [30]
  • Aleación de aluminio 2095 (Weldalite 049) [9]
  • Aleación de aluminio 2097 [30]
  • Aleación de aluminio 2197 [30]
  • Aleación de aluminio 8025 [30]
  • Aleación de aluminio 8091 [30]
  • Aleación de aluminio 8093 [30]
  • CP 276 [9]

Sitios de producción

Los principales productores mundiales de productos de aleación de aluminio y litio son Arconic , Constellium y Kamensk-Uralsky Metallurgical Works .

  • Centro Técnico Arconic (Upper Burrell, Pensilvania, EE. UU.) [9]
  • Arconic Lafayette (Indiana, EE. UU.); 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 de 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]
  • Planta metalúrgica de Kamensk-Uralsky (KUMZ)
  • Aleris (Coblenza, Alemania)
  • FMC Corporation : FMC escindió su división de litio en Livent, que ahora (2024) se fusionó para formar Arcadium (https://arcadiumlithium.com/)
  • Aluminio del suroeste (PRC)

Véase también

Referencias

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