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Aleaciones de magnesio en el sector aeroespacial: Ventajas y aplicaciones

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Desde principios del siglo XX, el mundo se ha visto arrastrado por la marea de la exploración espacial y las grandes potencias han entrado en este campo.

El campo de la exploración humana del espacio ha visto grandes oportunidades de desarrollo, desde la fabricación de satélites hasta los vuelos espaciales tripulados. Sin embargo, a pesar de nuestros muchos logros, aún nos enfrentamos a muchas dificultades y retos, y la investigación de diversas tecnologías aún se encuentra en sus primeras fases.

Una de las dificultades importantes en el ámbito aeroespacial es la selección de materiales aeroespacialeslo que repercute enormemente en su desarrollo.

Este artículo pretende ofrecer información sobre materiales de aleación metálica adecuados para el campo aeroespacial y se centra en la aleación de magnesio.

Tras una amplia exploración, se eligió la aleación de magnesio como componente clave de materiales aeroespaciales. En este artículo se analizan los estrictos requisitos de habitabilidad de las naves espaciales en el espacio, las excepcionales propiedades de las aleaciones de magnesio y la razón por la que las aleaciones de magnesio son adecuadas para la fabricación de naves espaciales en el ámbito aeroespacial.

Vamos a ello.

El magnesio es uno de los metales más ligeros utilizados en la industria, por lo que los materiales de aleación de magnesio desarrollados se han convertido en los de menor densidad de las aleaciones metálicas industriales.

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Alemania inició la producción industrial de aleaciones de magnesio en la década de 1980 y las utilizó por primera vez en la producción de automóviles en los años treinta. La Unión Soviética siguió su ejemplo y aplicó las aleaciones de magnesio a la industria de producción aeronáutica a mediados de la década de 1930.

Debido al rápido aumento de la demanda, todas las potencias mundiales han concedido gran importancia al desarrollo, la investigación y el uso de aleaciones de magnesio a través de diversos proyectos de investigación.

Las aleaciones de magnesio presentan varias ventajas, como su baja densidad, su alta resistencia específica, su buena conductividad térmica y su ligereza. Sin embargo, los métodos tradicionales de procesado pueden dar lugar a una plasticidad deficiente, por lo que diferentes métodos de fundición se han desarrollado para adaptarse a distintas aplicaciones.

En la actualidad, las aleaciones de magnesio desempeñan un papel crucial en diversos campos de investigación. En la industria del automóvil, se utilizan ampliamente para componentes como el sistema de control direccional, la carcasa de la caja de cambios, el panel de instrumentos, el capó del motor, el bastidor, la puerta y otros en muchos países desarrollados.

En el campo de la comunicación electrónica, las excelentes características de las aleaciones de magnesio las hacen ideales para su uso en productos ligeros y finos, lo que permite albergar esperanzas de desarrollar productos ultraligeros y ultrafinos. Muchos componentes electrónicos de uso común, como cámaras, televisores, ordenadores portátiles, pantallas de plasma y teléfonos móviles, están fabricados con aleaciones de magnesio.

En el campo médico, la buena resistencia a la corrosión y la estabilidad química y física de las aleaciones de magnesio las hacen ideales para su uso como implantes médicos clínicos.

Las aleaciones de magnesio también desempeñan un papel importante en muchos otros campos y su valor es inconmensurable.

Los materiales de las naves espaciales deben tener excelentes propiedades antienvejecimiento y anticorrosión, ser capaces de resistir y adaptarse al entorno espacial extremo y permitir que la nave sobreviva de forma estable en el espacio. Los requisitos básicos de estos materiales son alta densidad, resistencia y rigidez.

El uso de materiales de aleación de magnesio puede reducir el consumo de combustible, mejorar la distancia de vuelo y prolongar el tiempo de vuelo. Además, las aeronaves requieren una mayor resistencia y rigidez y deben ser capaces de soportar cargas estáticas y alternas provocadas por diversos factores, como el despegue y el aterrizaje, el vuelo de maniobra y las ráfagas. Por lo tanto, la resistencia a la fatiga es de gran importancia en los materiales aeronáuticos.

Por su ligereza, resistencia específica, baja densidad, buena conductividad térmica y otras excelentes características, los materiales de aleación de magnesio cumplen los requisitos de los materiales aeroespaciales.

Japón, Estados Unidos, Gran Bretaña y otras potencias mundiales están aumentando sus inversiones en investigación de materiales de aleación de magnesio. Actualmente, todos los países del mundo están aumentando su producción de aleaciones de magnesio.

China ocupa el primer lugar del mundo en cuanto a recursos, origen y exportaciones de magnesio, y posee las mayores reservas del metal magnesio. Sin embargo, la producción industrial y la fabricación de aleaciones de magnesio en China siguen enfrentándose a numerosos retos.

La tecnología de producción de aleaciones de magnesio en China es relativamente anticuada, lo que conlleva una baja productividad, un elevado consumo de energía y un valor económico reducido. La proporción de exportación de aleaciones de magnesio en China también es baja, y casi todas las exportaciones se producen según marcas extranjeras.

Las tecnologías y equipos clave utilizados en la fabricación y procesamiento de aleaciones de magnesio rara vez son de desarrollo propio, sino que adoptan tecnologías y equipos avanzados extranjeros.

Requisitos de rendimiento de los materiales aeroespaciales

Los materiales utilizados en el sector aeroespacial deben cumplir a menudo requisitos de temperatura ultra alta, alta temperatura y alto vacío. En condiciones extremas como alta presión, fuerte corrosión y peso, los materiales deben tener un volumen y una masa mínimos sin dejar de cumplir sus requisitos funcionales.

Algunos materiales deben funcionar en la atmósfera o en el espacio durante un largo periodo sin mantenimiento, por lo que deben tener una alta fiabilidad y garantía de calidad.

Los requisitos de rendimiento de los materiales aeroespaciales varían en función de su entorno de trabajo.

Las naves espaciales experimentan un calentamiento aerodinámico en entornos de alta temperatura, motores de gas y la radiación solar, lo que provoca un largo tiempo de exposición en el aire, a veces a velocidades hasta tres veces superiores a la del sonido.

Los materiales utilizados en estos entornos deben tener resistencia a las altas temperaturas, resistencia a la fluencia, resistencia térmica y resistencia a la corrosión. resistencia a la fatiga, resistencia al aire y a la oxidación, y resistencia a la corrosión térmica por medios corrosivos, con estructuras estables que pueden funcionar a altas temperaturas durante un periodo prolongado.

Los motores cohete pueden alcanzar temperaturas de más de 3000°C y velocidades de más de 10 números Mach. Cuando el motor cohete se mezcla con el gas combustible sólido del cohete y las partículas sólidas, la cabeza del misil balístico vuelve a entrar en la atmósfera a velocidades superiores a 20 números Mach, lo que a veces provoca la erosión de las partículas.

Por lo tanto, los entornos de alta temperatura en el campo de la tecnología espacial suelen implicar altas temperaturas y flujos de aire a gran velocidad, así como la erosión de partículas. En los casos en que es necesario utilizar materiales para generar calor, se emplean materiales de alta temperatura y alta viscosidad en combinación con propiedades físicas como el calor y la sublimación.

Las altas temperaturas y la radiación solar provocan fluctuaciones de temperatura en las superficies de los satélites y las aeronaves en el espacio, lo que exige el control de la temperatura y revestimientos aislantes para mantener bajas las temperaturas de los propulsores naturales y de baja temperatura.

Cuando se vuela en la estratosfera a velocidades subsónicas, la temperatura de la superficie de los aviones desciende a unos 50°C. En el círculo polar, las temperaturas invernales pueden ser inferiores a 40°C. Para evitar la fragilización, los componentes necesitan cubiertas de metal o caucho. Los cohetes de propulsión líquida utilizan oxígeno líquido (punto de ebullición -183°C) e hidrógeno líquido (punto de ebullición -253°C) como propulsores, lo que crea unas condiciones ambientales aún más severas para los materiales.

Más materiales metálicos y los materiales poliméricos se vuelven quebradizos en estas condiciones, pero desarrollando o seleccionando materiales adecuados, como el aluminio puro y las aleaciones de aluminio, las aleaciones de titanio, el acero de baja temperatura, el politetrafluoroetileno, la poliimida y el perfluoropoliéter, se pueden mitigar los efectos de diversos medios y entornos atmosféricos sobre la corrosión y el envejecimiento de los materiales, la capacidad de carga térmica y los problemas de estanqueidad de las estructuras. Esto incluye los combustibles (como la gasolina y el queroseno) que entran en contacto con los materiales aeroespaciales y los propulsores de cohetes, así como diversos aceites lubricantes e hidráulicos.

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La mayoría de los materiales son propensos a una fuerte corrosión, tanto por sustancias metálicas como no metálicas.

Bajo la influencia de la radiación solar en la atmósfera, se expanden y son erosionados aún más por el viento y la lluvia.

La aparición de moho puede acelerar enormemente el proceso de envejecimiento de los materiales poliméricos cuando se almacenan en ambientes subterráneos húmedos durante un largo periodo de tiempo.

Para ser adecuados para su uso en la industria aeroespacial, los materiales deben presentar una buena resistencia a la corrosión, el envejecimiento y el moho.

Las características únicas del entorno espacial incluyen el alto vacío (1,33 x 10 MPa) y la irradiación de rayos cósmicos.

En alto vacío, materiales metálicos entran en estrecho contacto entre sí, a medida que se purifica la superficie, haciendo que se acelere el proceso de difusión molecular, lo que da lugar a la aparición de la "soldadura en frío".

El alto vacío y la irradiación de rayos cósmicos pueden causar nomateriales metálicos volatilizarse rápidamente y envejecer.

En algunos casos, esto puede provocar la contaminación de los volátiles de las lentes ópticas y el fallo de las juntas debido al envejecimiento.

Los materiales que se utilizan en el espacio suelen seleccionarse y desarrollarse mediante simulaciones y pruebas realizadas en tierra.

El objetivo del diseño de aeronaves es elegir materiales lo más ligeros posible sin dejar de ofrecer fiabilidad absoluta, seguridad y un margen de vida útil. Esto es necesario para la adaptación al entorno espacial.

Cuando aeronaves como misiles o cohetes se utilizan sólo durante un corto periodo de tiempo, el rendimiento de los materiales es limitado.

Para aprovechar al máximo la resistencia de los materiales y garantizar la seguridad, en los materiales metálicos se utiliza el "principio de diseño de tolerancia al daño". Esto requiere que los materiales no solo tengan una alta resistencia específica, sino también una alta tenacidad a la fractura.

Se determinan datos como la vida de iniciación de la grieta y la tasa de crecimiento de la grieta para los materiales utilizados en condiciones simuladas, y se calculan la longitud de grieta admisible y la vida correspondiente.

Los materiales orgánicos no metálicos deben someterse a pruebas de envejecimiento natural y envejecimiento artificial acelerado para determinar su vida útil y su periodo de aseguramiento. Esta es una base importante para el diseño y la producción.

Propiedades y características de las aleaciones de magnesio

(1) Alta densidad

El reto de reducir la carga de combustible es desde hace tiempo una cuestión acuciante en la industria aeroespacial.

Entre las aleaciones metálicas de ingeniería disponibles, la aleación de magnesio destaca por su baja densidad de aproximadamente 1,8 g/cm3, que es aproximadamente dos tercios de la del aluminio y un cuarto de la del acero.

Esta baja densidad hace viable el uso de la aleación de magnesio en el sector aeroespacial.

Con el peso específico más ligero de todas las aleaciones estructurales, la aleación de magnesio permite reducir el peso de las piezas de aluminio o hierro sin sacrificar su resistencia.

Por eso, las aleaciones de magnesio, al ser ligeras, se utilizan mucho en aplicaciones aeroespaciales.

Esto no sólo reduce en gran medida el peso del fuselaje del avión, sino que también reduce significativamente la carga de combustible, lo que repercute notablemente en el vuelo de la aeronave.

(2) Alto coeficiente de resistencia

Las aleaciones de magnesio tienen una resistencia específica y una densidad elevadas.

En comparación con las aleaciones de aluminio y el acero, las aleaciones de magnesio poseen propiedades superiores en términos de resistencia específica y densidad.

Por tanto, los materiales de aleación de magnesio pueden utilizarse en el ensamblaje de aviones para fabricar componentes que deban soportar cargas pesadas, como cabinas de naves espaciales y piezas de motores.

(3) Buena disipación del calor

En comparación con otras aleaciones, las de magnesio tienen una clara ventaja en términos de disipación del calor.

Esto se debe a que la diferencia de temperatura del aire entre la base y la parte superior de un disipador de calor fabricado con una aleación de magnesio es significativamente mayor que la de los disipadores de calor fabricados con otras aleaciones, lo que provoca una difusión más rápida del aire en el radiador de convección y mejora en gran medida la eficacia de disipación del calor del radiador.

A temperatura constante, un radiador de aleación de magnesio tarda la mitad en disipar el calor que uno de aleación de aluminio.

(4) Buen efecto de absorción de impactos

En el rango elástico, cuando se someten a un impacto, las aleaciones de magnesio experimentan una deformación elástica relativamente pequeña y absorben una gran cantidad de energía, lo que se traduce en una reducción de las vibraciones durante el impacto.

Como resultado, las aleaciones de magnesio tienen una buena capacidad de absorción de impactos.

Esto también conduce a una reducción del ruido generado por las colisiones, lo que hace que las aleaciones de magnesio posean un excelente rendimiento de reducción del ruido. Esto puede mitigar eficazmente diversos efectos adversos del ruido en las aeronaves.

Las excepcionales capacidades de absorción de impactos y reducción del ruido de las aleaciones de magnesio son fundamentales para garantizar la seguridad de las aeronaves.

(5) Buena remodelación

A principios del siglo XX, fundición a presión para formar materiales de aleación de magnesio.

Sin embargo, los métodos tradicionales de fundición a presión tenían limitaciones para eliminar los defectos superficiales y mejorar la calidad interna de las piezas fundidas. Como resultado, se han realizado esfuerzos para mejorar el proceso y avanzar en la tecnología de fundición a presión de aleaciones de magnesio.

Las aleaciones de magnesio tienen propiedades de remoldeo favorables, por lo que son ideales para fabricar piezas estructurales con formas complejas y poca capacidad de carga, como los accesorios del motor y los frenos.

(6) Resistencia a la corrosión

El impacto de diversos medios y condiciones atmosféricas sobre los materiales se manifiesta principalmente como corrosión y envejecimiento.

Los materiales aeroespaciales están expuestos al contacto con combustibles de aviación (como gasolina y queroseno), propulsores de cohetes (como ácido nítrico concentrado, tetróxido de nitrógeno e hidracina), diversos lubricantes y aceite hidráulico, entre otros.

La mayoría de estas sustancias tienen fuertes efectos corrosivos o expansivos tanto en materiales metálicos como no metálicos.

El proceso de envejecimiento de los materiales poliméricos puede acelerarse por la exposición prolongada al moho en la atmósfera, la erosión causada por el viento y la lluvia y el moho en ambientes húmedos subterráneos.

Por ello, la resistencia a la corrosión, el envejecimiento y el moho son propiedades esenciales de los materiales aeroespaciales.

El magnesio, al ser el metal más reactivo, hace que las aleaciones de magnesio sean susceptibles a la corrosión debido a las reacciones que se producen en su superficie, causando daños importantes.

Por ello, la protección de las superficies de las aleaciones de magnesio es de gran importancia.

En el pasado, las aleaciones de magnesio se protegían principalmente mediante oxidación química, pero con el rápido desarrollo de la tecnología de oxidación anódica en la década de 1980, este método ha sustituido a la oxidación química tradicional.

En la investigación sobre la tecnología de fundición en atmósfera de CO2+SF6 y el mecanismo de protección del SF6 gas matriz de aleación de magnesio, se encuentra que una capa de prioridad y la forma de película de Mg se generará en la superficie de aleación de magnesio.

F como partículas intermedias de MgO y el Mg líquido interno para generar MgF2.

El material protegerá la existencia entre la película y la matriz, haciendo que la película protectora sea más compacta.

Debido a los problemas medioambientales, los investigadores siguen buscando otros gases menos contaminantes y que también contengan F para sustituir al SF.6.

Las aleaciones de magnesio son muy susceptibles a la corrosión por muchas sustancias alcalinas, mientras que las naves espaciales tienen una gran estabilidad en ambientes alcalinos.

(7) Algunas propiedades químicas son estables

Las aleaciones de magnesio presentan una gran estabilidad en algunos compuestos orgánicos, como la gasolina y el queroseno.

Por tanto, las aleaciones de magnesio pueden utilizarse en la fabricación de depósitos de combustible para gasolina y queroseno, así como en componentes que entran en contacto con la gasolina, como engranajes y frenos de motores.

Los productos de aleación de magnesio se utilizan mucho en aviones civiles y militares, sobre todo en bombarderos. Por ejemplo, el cuerpo del bombardero B-25 está construido con aleación de magnesio, con 90 kg de piezas extruidas y más de 200 kg de piezas fundidas.

Las aleaciones de magnesio también se utilizan en misiles y algunos componentes de satélites, como la cabina de instrumentos, la cabina de cola y el soporte del motor del misil tierra-aire Red Flag de China.

(8) Resistencia a la temperatura La aleación de magnesio tiene cierta resistencia a las altas temperaturas y a las bajas temperaturas, y en general puede adaptarse al entorno de vida de las naves espaciales en el aire.

Otros materiales metálicos son propensos a fundirse en determinadas zonas de alta temperatura del espacio.

La resistencia a altas temperaturas de las aleaciones de magnesio garantiza que puedan soportar temperaturas elevadas.

Al mismo tiempo, las aleaciones de aluminio tienen la capacidad de adaptarse a entornos de bajas temperaturas y presentan fuertes propiedades de aislamiento térmico, protegiendo el funcionamiento normal de los componentes internos de los aviones.

Las aleaciones de magnesio también tienen buenas propiedades mecánicas a altas temperaturas y presentan excelentes propiedades mecánicas en el espacio, lo que constituye una base sólida para los vuelos espaciales.

En la industria aeroespacial, los requisitos de materiales para la producción de aviones son extremadamente estrictos, y cada pieza de la aeronave debe cumplir normas rigurosas.

Cumplir estos requisitos con materiales industriales puede ser todo un reto. Sin embargo, las extraordinarias propiedades de las aleaciones de magnesio se ajustan bien a las necesidades de la industria aeroespacial en cuanto a materiales para la fabricación de naves espaciales.

Las aleaciones de magnesio son muy adecuadas para una amplia gama de aplicaciones, desde piezas de carrocería hasta piezas de motor.

La alta densidad del magnesio reduce significativamente la carga de combustible de las naves espaciales, lo que permite tiempos de vuelo más largos.

La elevada resistencia específica y rigidez específica garantizan la estabilidad de la nave espacial y proporcionan una excelente capacidad de defensa en el espacio.

Sus buenas propiedades de modificación favorecen la fabricación de componentes de naves espaciales.

Su elevado efecto amortiguador ofrece una garantía fiable para las naves espaciales.

Por su resistencia a la corrosión y a las altas temperaturas y su gran compatibilidad con las aleaciones de aluminio, las aleaciones de magnesio tienen un gran potencial en el espacio.

Las extraordinarias propiedades de las aleaciones de magnesio las convierten en un actor importante de la industria aeroespacial.

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