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Pregunta detonadora. Si el titanio Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo tiene más resistencia por kilogramo que cualquier aluminio, ¿por qué el larguero de casi todos los aviones comerciales sigue siendo de aluminio, el herraje caliente junto a la góndola es de titanio y el disco de la turbina es de una aleación de níquel que pesa casi el doble que el titanio?
En Materiales Aeroespaciales I (MAI) construiste las herramientas para contestar: el enlace fija el módulo y el punto de fusión, la microestructura fija el límite elástico y la tenacidad, y los índices de Ashby convierten esas propiedades en masa. MAII las lleva a condiciones extremas. Esta sesión reactiva la cadena estructura → propiedad → desempeño y la aplica a las familias metálicas de alto desempeño con la variable que en MAI apenas apareció: la temperatura de servicio.
Caso motivador. Sigue el aire por un turbofán: en el fan manda el Ti-6Al-4V; en el compresor de alta, a 400–450 °C, titanios más aleados como el Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo; tras el combustor, discos de Inconel 718 que a 650 °C conservan unos 950 MPa. El ala que cuelga ese motor es, en gran parte, de aluminio 7xxx y 2xxx. Cada pieza responde a una pregunta de selección distinta.
Cómo se evalúa el curso (temario §9). Participación activa en talleres, foros y videoconferencias: 30 %. Entregas de aprendizaje independiente (una por sesión, como la de hoy): 40 %. Exámenes (el examen final es la lección 9, en forma de taller interactivo): 30 %.
Contenido teórico
1.1 Repaso MAI: la cadena estructura → propiedad → desempeño
El desempeño de un componente (masa, vida, temperatura máxima) depende de propiedades del material (densidad, módulo, límite elástico, tenacidad), y estas dependen de la estructura a todas las escalas: enlace, red, fases, grano y defectos. En MAI recorriste la cadena de izquierda a derecha; en MAII la recorrerás también al revés: de una exigencia de servicio a la estructura que la satisface.
Los índices de desempeño de Ashby (deducidos en MAI) resumen la selección: para igual carga y geometría fijada, la masa es inversamente proporcional a un índice de resistencia y densidad cuyo exponente depende de cómo trabaja la pieza.
Significado físico y efecto en la selección. En un tirante toda la sección trabaja igual, así que el índice es la resistencia específica pura. En una viga o una placa en flexión el material lejos del eje neutro trabaja más que el cercano, y engrosar la pieza es muy eficaz: por eso el exponente baja a 2/3 o a 1/2 y la baja densidad pesa más que la alta resistencia. Ese único exponente explica buena parte de la respuesta a la pregunta detonadora.
La segunda herramienta es la temperatura homólogaT/Tf (ambas en kelvin): por encima de unas cuatro décimas de la temperatura de fusión (o de solidus), los mecanismos activados térmicamente, como la fluencia, empiezan a contar. Un aluminio 7075, con solidus cerca de 477 °C, ya está en T/Tf≈0.39 a temperatura ambiente; una superaleación de níquel llega a 0.4 por encima de unos 350 °C. La tabla resume las familias que estudiarás hoy (valores típicos de referencia, no admisibles de diseño).
Familia
Ejemplo
ρ (g/cm³)
σy a 20 °C (MPa)
σy/ρ (kN·m/kg)
Tmax típica (°C)
Al 7xxx
7075-T651
2.81
503
179
120
Al-Li
2099-T83
2.63
525
200
120
Mg-tierras raras
WE43 (T6)
1.84
172
93
250
Ti α+β
Ti-6Al-4V
4.43
880
199
400
Ti α+β rico en β
Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo
4.65
1104
237
450
Superaleación Ni
Inconel 718
8.19
1100
134
650
Caso: Al 7075-T651 en larguero alar. El larguero es una viga en flexión que trabaja a temperatura ambiente (o en frío de crucero). La designación ya cuenta su estructura: T6 indica solubilización y envejecimiento artificial hasta el pico de dureza, y el «51» final que la placa se estiró un 1.5–3 % para eliminar tensiones residuales antes de mecanizarla, algo imprescindible en una pieza larga que se vacía hasta dejar alas delgadas. El resultado son 503 MPa con 2.81 g/cm³. En el laboratorio, con σreq=250 MPa y FS=1.5, cumple con un margen 503/375−1=+34%.
1.2 Superaleaciones de níquel y cobalto: Inconel 718 y Waspaloy
En MAI viste la microestructura γ/γ′: una matriz γ de níquel cúbica centrada en las caras, dúctil, con precipitados γ′ de Ni3(Al,Ti) ordenados y coherentes que obligan a las dislocaciones a avanzar por parejas. Aquí interesa lo que esa estructura significa para el diseñador: la temperatura a la que el precipitado sigue siendo estable es la temperatura a la que la aleación sigue siendo útil.
El Inconel 718 (Ni-Cr-Fe con unos 5 % de niobio) se endurece sobre todo con otro precipitado, la fase γ″ (Ni3Nb, tetragonal), acompañada de algo de γ′. La γ″ endurece muchísimo y precipita despacio, lo que hace al 718 soldable y fácil de forjar, y por eso es la superaleación más usada en motores (del orden de la mitad del tonelaje de superaleaciones, cifra aproximada de la industria). Su límite es que la γ″ es metaestable: por encima de unos 650 °C engruesa y se transforma en la fase δ, también Ni3Nb pero con forma de placas que no endurecen. Special Metals la recomienda hasta 650 °C.
El Waspaloy apuesta por la γ′ clásica, Ni3(Al,Ti), en torno a una cuarta parte del volumen. Rinde menos a temperatura moderada, pero la γ′ es estable hasta más arriba: Haynes da unos 706 MPa de límite elástico a 760 °C, y Special Metals la indica hasta 650 °C en piezas rotativas críticas y hasta 870 °C en piezas estáticas. Las superaleaciones de cobalto (como Haynes 188 o Mar-M509) se endurecen por solución sólida y carburos, no por γ′; son menos resistentes, pero resisten mejor la corrosión en caliente y se usan en camisas de combustor y álabes fijos.
Propiedad (típica)
Inconel 718 envejecido
Waspaloy
Densidad (g/cm³)
8.19
8.20
Módulo (GPa)
≈ 200
≈ 213
σy a 20 °C (MPa)
≈ 1100
≈ 795
σy a 650 °C en el lab (MPa)
946
723
Precipitado endurecedor
γ″ (+ γ′)
γ′
Servicio típico
discos y ejes hasta 650 °C
discos hasta ≈ 760 °C, piezas estáticas hasta 870 °C
Caso: Inconel 718 en disco de turbina. Un disco gira a miles de revoluciones por minuto y su propia masa lo carga:
σcentrifuga∝ρω2r2
Significado físico y efecto en la selección. Engrosar el disco no ayuda, porque añade masa que también tira: el índice correcto es el de tirante, σy/ρ, evaluado a la temperatura del disco. En «Disco de turbina (650 °C)», con σreq=450 MPa y FS=1.5, el Inconel 718 da 946 MPa (margen +40 %, índice 115.5) y el Waspaloy 723 MPa (margen +7 %, índice 88.2). El Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo tendría mejor índice, pero a 650 °C está 200 °C por encima de su temperatura de servicio.
1.3 Aleaciones de titanio avanzadas: α, β y α+β
El titanio puro es hexagonal compacto (fase α) hasta unos 882 °C y cúbico centrado en el cuerpo (fase β) por encima. Los aleantes se clasifican por la fase que favorecen: aluminio, estaño, oxígeno y nitrógeno estabilizan α (el estaño y el circonio refuerzan sin cambiar mucho la temperatura de transición); vanadio, molibdeno, niobio y hierro estabilizan β. La familia resultante es una escala continua:
α y casi-α (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-8Al-1Mo-1V): mejor fluencia, útiles hasta 500–540 °C.
α+β (Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo): el compromiso general, tratables térmicamente.
β y casi-β (Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr): templables en sección gruesa, para trenes de aterrizaje.
El procesamiento termomecánico decide la morfología. Forjar por debajo del β transus (unos 995 °C en Ti-6Al-4V) da granos α equiaxiales o bimodales: mejor ductilidad y fatiga de alto ciclo. Por encima del transus y con enfriamiento lento se obtienen placas α en matriz β transformada: mejor tenacidad, grieta más lenta y mejor fluencia. La misma química sirve para una pieza de fatiga o de tolerancia al daño según cómo se forje.
Propiedad (típica)
Ti-6Al-4V recocido
Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo
Densidad (g/cm³)
4.43
4.65
σy a 20 °C (MPa)
≈ 880
≥ 1104 (mínimo ATI)
Tenacidad K_IC (MPa√m)
≈ 55–75
≈ 25–45 (aproximado)
Servicio típico
hasta ≈ 400 °C
hasta ≈ 450 °C
Uso
estructura primaria, fan, herrajes
discos y álabes de compresor, secciones gruesas
El Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo es un derivado más aleado en β del Ti-6242: el molibdeno extra lo hace templable en profundidad (secciones gruesas con resistencia uniforme) y lo lleva por encima de 1100 MPa, a cambio de tenacidad y soldabilidad.
Caso: Ti-6Al-4V en estructura primaria. Es la aleación de titanio por excelencia, del orden de la mitad de todo el titanio que se produce (cifra aproximada). En el Boeing 787 el titanio supone en torno al 15 % de la masa estructural, frente a un 20 % de aluminio y un 50 % de compuestos: los herrajes de unión ala-fuselaje, los marcos en contacto con el CFRP y las piezas próximas a las góndolas son de titanio porque, como viste en MAI, es compatible galvánica y térmicamente con la fibra de carbono. En el escenario «Carenado cerca del motor (300 °C)», con índice de placa, todos los aluminios quedan fuera: el Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo da 6.23 y el Ti-6Al-4V 5.48, con 590 MPa todavía disponibles a 300 °C.
1.4 Aluminio y magnesio aeroespacial
Las series de aluminio se reparten el avión según el modo de falla que domina:
Serie 2xxx (Al-Cu-Mg), como el 2024-T3 (≈ 345 MPa): excelente tolerancia al daño y grieta lenta. Va donde manda la fatiga en tracción: fuselaje presurizado e intradós del ala.
Serie 7xxx (Al-Zn-Mg-Cu), como el 7075-T651 (≈ 503 MPa): la más resistente, pero sensible a la corrosión bajo tensión. Va a largueros, costillas y extradós. Los temples T73 y T76 ceden un 10–15 % de resistencia a cambio de resistir la SCC (sesión 2).
Aluminio-litio de tercera generación (2099, 2195, 2196, 2060): el 2195 hizo posible el tanque externo superligero del transbordador, unos 3400 kg (7500 lb) más ligero; el 2099-T83 en extrusión da unos 525 MPa con 2.63 g/cm³.
Magnesio con tierras raras, como el WE43 (Mg-Y-Nd): 1.84 g/cm³ y estable a largo plazo hasta 250 °C; limitado por corrosión e inflamabilidad, se usa en carcasas de transmisión de helicópteros y de equipos.
La rigidez también cuenta en un satélite o en un panel que pandea. El índice de rigidez específica es E/ρ y, para placas que pandean, E1/3/ρ:
Significado físico y efecto en la selección. Casi todos los metales estructurales comparten E/ρ≈25; el litio es la excepción útil (+13 % en el 2099) y el magnesio compensa su bajo módulo en placas, donde el exponente 1/3 premia la baja densidad. En el escenario «Satélite (masa mínima)» (120 °C, σreq=100 MPa, FS=1.25, índice de placa) gana el Al-Li 2099 con 8.14, seguido del 7075 (7.32) y del Mg WE43 (6.99).
Caso: el larguero en Al-Li frente al 7075-T651. En «Larguero alar (ambiente)», con índice de viga, el ranking es Al-Li 2099 (24.7), Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo (23.0), 7075-T651 (22.5) y Ti-6Al-4V (20.7). El 7075 pesa 24.7/22.5=1.10 veces lo que el 2099, y el mejor titanio solo le gana un 2 % a cambio de un coste y un mecanizado muy superiores. Respuesta a la pregunta detonadora: el índice decide entre materiales viables; coste, fabricación y tolerancia al daño deciden el resto.
En un disco de turbina la tensión centrífuga es proporcional a ρω²r². ¿Qué índice debes maximizar para elegir su material?
Taller
Taller diagnóstico de selección de material (20 minutos, en equipos de 3). El objetivo es comprobar qué traes de MAI y practicar el método que usarás todo el curso.
Elige un componente de los cuatro del laboratorio: larguero alar, carenado cerca del motor, disco de turbina o panel de satélite.
Escribe su ficha de requisitos: función (tirante, viga o placa), restricciones (tensión requerida, factor de seguridad, rango de temperatura), objetivo (masa mínima) y variable libre (el espesor o la sección).
Criba por temperatura. Descarta toda aleación cuya Tmax esté por debajo del extremo caliente de la banda de servicio.
Criba por resistencia. Descarta las que no alcancen FS·σreq a esa temperatura.
Ordena por índice y calcula la masa relativa de los tres primeros.
Revisa lo que el índice no ve: tenacidad, corrosión, coste, fabricación y compatibilidad con piezas vecinas. Decide y justifica en tres líneas.
Preguntas guía. ¿Cambia el ganador si la pieza trabaja en tracción en lugar de en flexión? ¿Cuántos grados de margen tiene el material elegido hasta su Tmax? ¿Qué propiedad de MAI (enlace, fase, precipitado) explica ese techo de temperatura?
Comprueba en el laboratorio. En «Larguero alar (ambiente)» lee el mejor candidato (Al-Li 2099, 24.7) y la masa relativa del 7075-T651 (1.10). Cambia Modo de carga a «Tirante»: el ganador pasa a ser el Ti-6246 (237 kN·m/kg), porque sin flexión deja de premiarse la baja densidad. Vuelve a «Viga» y sube Temperatura de servicio a 200 °C: el 7075 retiene el 45 % de su límite y los aluminios quedan fuera por Tmax. En «Disco de turbina (650 °C)» compara los márgenes del Inconel 718 (+40 %) y del Waspaloy (+7 %) y sube a 760 °C: solo el Waspaloy sigue en servicio. La lectura «σy(T): probetas frente a curva» (512 frente a 503 MPa en el 7075) recuerda que un dato de catálogo es una media, no un admisible.
Síntesis y puente
La regla de hoy: cada familia metálica tiene un techo de temperatura fijado por la estabilidad de lo que la endurece, y dentro de su rango el índice del modo de carga ordena a los candidatos: aluminio en flexión a temperatura ambiente, titanio hasta unos 450 °C, níquel en el disco a 650 °C.
Preguntas de reflexión. ¿Por qué un 7075 a 20 °C ya está cerca de la temperatura homóloga de 0.4? ¿Qué ganarías y qué perderías cambiando el larguero de 7075-T651 a 7075-T7351? ¿Por qué el índice de un disco no depende de su espesor?
Puente con la sesión 2. Todas las curvas de hoy son de corta duración: una probeta limpia se ensaya unos minutos. En servicio el material soporta millones de ciclos, años de humedad salina y miles de horas a alta temperatura. La próxima sesión trata de lo que les pasa entonces: corrosión, fatiga, fluencia y los recubrimientos que las frenan.
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Fuentes
Temario oficial de MAII (M. en C. Alan Rosas Palacios, UNII), §7 sesión 1 y §9 evaluación: estructura de la sesión, casos y ponderaciones 30/40/30.
Ashby, M. F. y Jones, D. R. H., Engineering Materials 1 & 2 (4.ª ed.), Butterworth-Heinemann: índices de desempeño y temperatura homóloga.
Donachie, M. J. y Donachie, S. J., Superalloys: A Technical Guide (2.ª ed.), ASM International: fases γ, γ′, γ″ y δ; uso del 718 hasta 650 °C.
Special Metals Corporation, INCONEL alloy 718, publicación SMC-045: densidad 8.19 g/cm³ y servicio hasta 650 °C. Los 1100 MPa a 20 °C y la retención a 650 °C del laboratorio son valores típicos aproximados.
Haynes International, HAYNES Waspaloy alloy: 8.20 g/cm³, ≈ 213 GPa y 706 MPa de límite elástico a 760 °C (valores típicos). Special Metals, Waspaloy: 650 °C en rotores críticos y 870 °C en piezas estáticas.
ATI, ATI 6-2-4-6: 4.65 g/cm³ y mínimos de 1104 MPa (σy) y 1172 MPa (σuts) en barra recocida; servicio hasta unos 450 °C según hojas de distribuidores. La K_IC de la tabla es aproximada.
Smiths High Performance, 2099 aluminium lithium y SAE AMS 4287: 2099-T83 con ≈ 525 MPa (L) y ≈ 78 GPa. La densidad de 2.63 g/cm³ es el valor nominal de la aleación (aproximado).
Luxfer MEL Technologies, Elektron WE43B datasheet: densidad relativa 1.84, mínimo de 172 MPa y estabilidad a largo plazo hasta 250 °C.
ASM Handbook, vol. 2 (aluminio) y MMPDS: propiedades típicas de 2024-T3 y 7075-T651 y tendencia de su resistencia con la temperatura; las curvas de retención del laboratorio son aproximaciones por tramos.
Boeing, AERO Magazine QTR_04 2006, «Boeing 787 from the ground up»: reparto aproximado de materiales del 787 (≈ 50 % compuestos, 20 % aluminio, 15 % titanio).
Brewer, W. D. et al., Materials for Aerospace Applications, NASA NTRS: panorama de aleaciones estructurales y de motor.
Laboratorio: Aleaciones y temperatura · Sesión 1 · MAII