Hojas compuestas laminadas de aluminio y fibras de vidrio.

Hoja compuesta laminada de aluminio y fibras de vidrio, que comprende N chapas de aleación de aluminioque alternan con N-1 capas de polímero,

N siendo por lo menos igual a 2 y la correspondiente capa depolímero conteniendo fibras de vidrio, la correspondiente hoja compuesta laminada se caracteriza por lo quepor lo menos una de las correspondientes chapas es de aleación de aluminio sin tratamiento térmico de tipoAl-Mg con una proporción de magnesio, expresada en porcentaje másico, comprendida entre el 4 y el 6 % yuna proporción de manganeso, expresada en porcentaje másico, comprendida entre el 0,2 y el 1 %, en la quela correspondiente chapa de aleación Al-Mg presenta un límite elástico según la norma EN 10002-1 de por lomenos 240 Mpa, una resistencia a la rotura según la norma EN 10002-1 de por lo menos 260 MPa y un factorde intensidad de tensiones aparente Kco, medido según la norma ASTM E 561 en un panel de 400 mm deancho con una grieta inicial de 133 mm, de por lo menos 75 MPaϒm.

Hojas compuestas laminadas de aluminio y fibras de vidrio Ámbito de la invención La invención se refiere a nuevas hojas compuestas laminadas de aluminio -fibras de vidrio con adhesivo -aluminio, un material conocido con el nombre genérico de “Glare”, y el uso de tales hojas compuestas laminadas en construcción aeronáutica y especialmente como piel de revestimiento de fuselaje.

Estado de la técnica

Se conocen desde hace ya mucho tiempo compuestos laminados de aluminio -fibra a base de polímeros orgánicos aluminio. Típicamente, los polímeros orgánicos son poliamidas o poliésteres. A modo de ejemplo, las patentes EP 0 056 288 B1 y EP 0 056 289 B1 (Technische Hogeschool Delft) divulgan un material laminado, constituido por dos chapas finas de aluminio con tratamiento térmico (de aleaciones 2024 T3 y 7075 T6 en particular) que contienen una capa adhesiva en la que se integraron fibras de poliparafenileno tereftalamida (PPDT) con un alto módulo de elasticidad comprendido entre 50 GPa y 250 GPa. Así, se pueden superponer distintas capas alternadas de materia orgánica y aluminio. Este tipo de material a base de fibras orgánicas no puede usarse a altas temperaturas, típicamente por encima de los 120 °C a 130 °C, durante mucho tiempo. Además, es difícil controlar las tensiones residuales en estas hojas compuestas laminadas.

La patente EP 0 312 150 B1 (Structural Laminates Company) divulga el uso de fibras de carbono, aramide, polietileno o vidrio en forma de filamentos continuos que se extienden paralelamente el uno al otro en por lo menos una dirección. Dichas fibras se impregnan de un adhesivo termoplástico. Se pretensan las hojas o paneles compuestos laminados.

La solicitud de patente EP 0 323 60 A1 (Akzo Nobel) divulga un procedimiento de fabricación de elementos estructurales para fuselaje de avión integrados por hojas compuestas laminadas, que utiliza resinas termoendurecibles, resinas epoxi en particular. El especialista denomina estas hojas compuestas laminadas con el nombre genérico "Glare".

La patente US 5 547 735 (Structural Laminates Company) describe el uso de chapas de aleación 5052 en complejos compuestos laminados. La patente US 4 657 717 (Alcan International) describe el uso de chapas superplásticas en tales complejos. La solicitud de patente WO 98/53989 (Akzo Nobel) divulga un procedimiento de fabricación de hojas compuestas laminadas integradas por chapas metálicas de aleaciones a base de aluminio, cobre, magnesio, acero o titanio. Las aleaciones preferentes son las aleaciones de tipo 2x24 T3 y 7x75 T6.

El estado de la técnica, los procedimientos de fabricación, las características y las aplicaciones de los complejos laminados de aluminio y fibras de vidrio de tipo Glare se resumen en el artículo "Fibre Metal Laminates for High Capacity Aircraft" de A. Vlot, L.B. Vogelesang y TJ. de Vries, 30th International SAMPE Technical Conference, October 20-24, 1998, páginas 456 -470, y en el artículo "The Residual Strength of Fibre Metal Laminates: Glare 2 and Glare 3" de C.A.J.R. Vermeeren, 30th International SAMPE Technical Conference, October 20-24, 1998, páginas 471 -482.

El término "aleación con tratamiento térmico" se define para el aluminio en la norma EN 12258-1 como una "aleación que se puede endurecer mediante el tratamiento térmico adecuado"; el término opuesto "aleación sin tratamiento térmico" se define en la misma norma como "una aleación que no se puede endurecer de manera sustancial con un tratamiento térmico". Entre las aleaciones con tratamiento térmico, se toman en cuenta las aleaciones de las series 2xxx, 7xxx y 6xxx, mientras que las aleaciones de las series 5xxx y 3xxx son aleaciones sin tratamiento térmico.

Típicamente, las hojas compuestas laminadas según el estado de la técnica comprenden N chapas finas de aleación de aluminio con tratamiento térmico que alternan con N-1 hojas de resina epoxi reforzada con fibras de vidrio; estas hojas de resina epoxi reforzada con fibras de vidrio a veces se llaman "prepreg". En estas composiciones, las 55 chapas de aluminio forman las caras exteriores del compuesto laminado y alternan con las hojas de resina reforzada con fibras de vidrio. Para la aleación con tratamiento térmico, se usan aleaciones que pertenecen a las familias 2xxx

o 7xxx y más particularmente la aleación 2024 en estado T3. El espesor de las correspondientes chapas finas de aleación de aluminio es típicamente del orden de 0, 1 mm a 0, 6 mm. La chapa externa del complejo laminado suele ser una chapa plaqueada, para minimizar la corrosión de dicha cara externa. El espesor total del complejo laminado depende de la aplicación: para una piel de fuselaje, es del orden de 3 mm, mientras que para un refuerzo de piel de puerta de avión, puede ser necesario un espesor del orden de 20 mm (véase el artículo de B. Isink "Mit Glare 'erleichtert' abheben", publicado en la revista Airbus News, 1 de noviembre de 2001) .

Estas hojas compuestas laminadas según el estado de la técnica presentan ciertos inconvenientes. Por una parte,

las chapas finas de aleaciones con tratamiento térmico son costosas porque su procedimiento de fabricación es complejo. Por otra parte, la mayoría de las aleaciones de las familias 2xxx y 7xxx, y especialmente todas las aleaciones de dichas familias que se usan para la fabricación de elementos estructurales para aplicación aeronáutica, son sensibles a la corrosión. Por esta razón, cuando esta sensibilidad a la corrosión es perjudicial, se usan como cara externa del elemento estructural, chapas plaqueadas. Por lo general, el tratamiento térmico de una chapa fina es complicado, porque ésta corre el riesgo de deformarse, especialmente durante el temple. Esto 5 necesita medidas correctoras que se traducen en etapas de procedimiento adicionales, eliminación de arrugas, aplanado o tracción controlada por ejemplo. El tratamiento térmico de chapas finas plaqueadas es aún más complicado porque, a alta temperatura, ciertos elementos químicos contenidos en el alma pueden propagarse al plaqueado. A modo de ejemplo, si el cobre contenido en las aleaciones 2xxx, tal como la 2024, llega a propagarse a la capa de plaqueado, ésta ya no desempeñará correctamente su función de protección contra la corrosión y puede estar corroída por el entorno. Además, la capa de plaqueado siendo poco resistente mecánicamente, las chapas finas plaqueadas deben manipularse con precaución para evitar arañazos superficiales que pueden ser focos de corrosión. Por lo tanto, las chapas finas plaqueadas tienen un costo de fabricación significativamente más alto y además, durante su fabricación, se observa una tasa de desecho más alta que en las chapas no plaqueadas de la misma aleación, con mismo espesor y mismo estado metalúrgico, lo que aumenta aún más el coste de producción.

Este problema sigue presente incluso después de la fabricación del complejo laminado de tipo Glare: si durante la manipulación de tal complejo, un arañazo accidental causa un defecto redhibitorio, la pieza debe desecharse y se pierde todo el valor añadido que representa la fabricación del complejo laminado.

Así, conviene disponer de hojas compuestas laminadas de aluminio y fibras de vidrio que usen chapas finas de aleación de aluminio procedentes de un procedimiento de fabricación más sencillo que el de las chapas finas de aleaciones de las familias 2xxx y 7xxx usadas en las hojas compuestas laminadas conocidas. Más particularmente, conviene que las correspondientes chapas finas sean menos sensibles a la corrosión que las de aleaciones de tipo 2xxx o 7xxx, para evitar el uso de chapas finas plaqueadas, y que las hojas compuestas laminadas que integran dichas chapas tengan características mecánicas comparables a las de las hojas compuestas laminadas conocidas.

Objeto de la invención La invención tiene por objeto una hoja compuesta laminada de aluminio y fibras de vidrio tal como se define en la reivindicación 1.

Otro objeto de la invención es el uso de tal hoja como elemento estructural, especialmente en construcción aeronáutica.

Descripción de las figuras La figura 1 muestra dos vistas esquemáticas de la probeta usada para determinación de las características mecánicas estáticas de las hojas compuestas laminadas según la norma ASTM D 3039-76. El parámetro t indica el espesor de la hoja. Las dimensiones se indican en milímetros.

Descripción de la invención Salvo indicación contraria, todas las indicaciones relativas a la composición química de las aleaciones se expresan en porcentaje másico. La denominación de las aleaciones cumple con los requisitos de las reglas de The Aluminum Association. Los estados metalúrgicos se definen en la norma europea EN... [Seguir leyendo]

1. Hoja compuesta laminada de aluminio y fibras de vidrio, que comprende N chapas de aleación de aluminio que alternan con N-1 capas de polímero, N siendo por lo menos igual a 2 y la correspondiente capa de polímero conteniendo fibras de vidrio, la correspondiente hoja compuesta laminada se caracteriza por lo que por lo menos una de las correspondientes chapas es de aleación de aluminio sin tratamiento térmico de tipo Al-Mg con una proporción de magnesio, expresada en porcentaje másico, comprendida entre el 4 y el 6 % y una proporción de manganeso, expresada en porcentaje másico, comprendida entre el 0, 2 y el 1 %, en la que la correspondiente chapa de aleación Al-Mg presenta un límite elástico según la norma EN 10002-1 de por lo menos 240 Mpa, una resistencia a la rotura según la norma EN 10002-1 de por lo menos 260 MPa y un factor

de intensidad de tensiones aparente Kco, medido según la norma ASTM E 561 en un panel de 400 mm de ancho con una grieta inicial de 133 mm, de por lo menos 75 MPa√m.

2. Hoja compuesta laminada según la reivindicación 1, en la que N es por lo menos igual a tres.

3. Hoja compuesta laminada según la reivindicación 1 o 2, en la que por lo menos una de las caras externas se compone de una chapa de aleación de aluminio sin tratamiento térmico.

4. Hoja según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por lo que la aleación de la correspondiente chapa de aleación de aluminio sin tratamiento térmico se elige en el grupo constituido por las 20 aleaciones 5083, 5182, 5086, 5383, 5456, 5186.

5. Hoja según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada por lo que la correspondiente chapa de aleación Al-Mg es de aleación 5182 o 5186 en estado H111 o H24 y tiene un espesor comprendido entre 0, 2 y 0, 4 mm.

6. Hoja según la reivindicación 1, en la que la aleación Al-Mg tiene una proporción de escandio comprendida entre el 0, 1 y el 0, 3 % y / o una proporción de hafnio comprendida entre el 0, 2 y el 0, 4 %.

7. Hoja según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en la que la aleación Al-Mg contiene elementos que 30 forman dispersoides elegidos en el grupo constituido por Zr, Cr, La, Ti, Ce, Nd, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Y, Yb.

8. Hoja según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la que la correspondiente chapa de aleación Al-Mg presenta un límite elástico de por lo menos 260 MPa y una resistencia a la rotura de por lo menos 275 MPa.

9. Hoja según la reivindicación 8, en la que la correspondiente chapa de aleación Al-Mg presenta un límite elástico de por lo menos 300 MPa y preferentemente de por lo menos 330 MPa.

10. Hoja según la reivindicación 8 o 9, en la que la correspondiente chapa presenta un factor de intensidad de

tensiones aparente Kco, medido según la norma ASTM E 561 en un panel de 400 mm de ancho con una grieta inicial de 133 mm, de por lo menos 80 MPa√m y preferentemente de por lo menos 85 MPa√m.

11. Uso de una hoja según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 como elemento estructural.

12. Uso según la reivindicación 11 como elemento estructural en construcción aeronáutica.

13. Uso según la reivindicación 12 como elemento de fuselaje de una aeronave.

14. Uso según la reivindicación 12 como elemento de puerta de aeronave. 50

FIGURA 1