ألمنيوم 7150: التركيب الكيميائي، الخواص، دليل المعالجات، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
يعد 7150 سبيكة ألمنيوم من سلسلة 7xxx تنتمي إلى عائلة Al‑Zn‑Mg‑Cu عالية القوة المستخدمة على نطاق واسع في التطبيقات الهيكلية ذات المستوى الطيران. ترتكز تركيبتها الكيميائية على الزنك كعنصر سبيكي رئيسي مع مساهمات ملحوظة من المغنيسيوم والنحاس، وإضافات صغيرة من الزركونيوم للتحكم في هيكل الحبوب ومقاومة إعادة التبلور.
السبيكة قابلة للمعالجة الحرارية وتعتمد بشكل أساسي على تقوية المعالجة الحلولية تليها التبريد والتقسية الاصطناعية لإنتاج تشتت كثيف لترسيبات إيتا ميتاستابل (η′) والمرتبطة بها. ينتج عن هذا النظام التقوية بالترسيب مقاومة خضوع وقوة شد عالية جدًا مقارنة بسلاسل 1xxx–6xxx مع الاحتفاظ بصلابة معقولة عند معالجتها لمقاومة الكسر.
تتميز 7150 بنسبة قوة إلى وزن عالية جدًا، ومقاومة جيدة لنمو تشققات الإجهاد عند تعتيق زائد أو معالجة حرارية ميكانيكية مناسبة، ومقاومة متوسطة للتآكل يمكن تحسينها بالتعتيق الزائد والتغليف. قابلية اللحام والتشكيل محدودة في درجات التعتيق الذروية، لذلك غالبًا ما يتم موازنة خيارات التصميم والمعالجة بين قابلية التشكيل مقابل القوة وأداء مقاومة الكسر.
تغطي الاستخدامات النموذجية هياكل الطائرات الأولية والثانوية، المكونات الدفاعية عالية الأداء، وبعض التطبيقات الصناعية عالية القوة التي تتطلب خفض الوزن وتحمل الضرر. يختار المهندسون 7150 عندما تتفوق مجتمعة مقاومة القوة الساكنة العالية، أداء الإجهاد، والصلابة المقبولة على انخفاض قابلية اللحام والتكلفة الأعلى مقارنة بالسبائك الأكثر شيوعًا.
درجات المعالجة الحرارية
| درجة المعالجة | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفضة | عالية (20–30%) | ممتازة | متوسطة | مُخمرة تمامًا لأقصى قابلية للسحب والتشكيل؛ نادرًا ما تُستخدم في الطرقات الهيكلية |
| T6 | عالية جدًا | منخفضة إلى متوسطة (8–12%) | محدودة | ضعيفة | تعتيق ذروي لأقصى قوة؛ شائعة للأجزاء الهيكلية حيث يتم التشكيل قبل التعتيق |
| T651 | عالية جدًا | منخفضة إلى متوسطة (8–12%) | محدودة | ضعيفة | T6 مع تخفيف إجهاد بالتطويل؛ تستخدم للمكونات الدقيقة لتقليل الإجهادات المتبقية |
| T73 | عالية | متوسطة (10–14%) | محدودة | من ضعيفة إلى متوسطة | حالة تعتيق زائد لتحسين مقاومة تشقق تآكل الإجهاد (SCC) على حساب القوة الذروية |
| T76 / T7451 / T7751 | من متوسطة إلى عالية | متوسطة (10–15%) | محدودة | من ضعيفة إلى متوسطة | مصممة لموازنة مقاومة تشقق تآكل الإجهاد وصلابة الكسر والتحكم في الإجهادات المتبقية للاستخدامات الهيكلية الحرجة للطائرات |
تغير درجة المعالجة بشكل كبير توازن القوة والصلابة ومقاومة التآكل في 7150. تعطي درجات التعتيق الذروي T6/T651 أقصى مقاومات ساكنة لكنها تزيد الحساسية لتشقق تآكل الإجهاد وتقلل من الليونة، بينما درجات التعتيق الزائد مثل T73 تضحي جزئيًا بالقوة لتحسن ملحوظ في مقاومة SCC وغالبًا ما تزيد قليلاً في الليونة.
يعتمد اختيار درجة المعالجة على تسلسل التصنيع والخدمة المرجوة: شكّل الأشكال الرئيسية في حالات O أو المعالجة الباردة ثم قم بالمعالجة الحلولية والتعتيق حيثما أمكن، أو اختر درجات تعتيق زائدة للمكونات المعرضة لبيئات تآكلية أو التي تتطلب صلابة كسر أعلى.
التركيب الكيميائي
| العنصر | النسبة % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.12 | سيليكون منخفض ومتحكم به لتقليل المركبات البينية والحفاظ على صلابة الكسر |
| Fe | ≤ 0.12 | حد الشوائب؛ زيادة الحديد قد تشكل مركبات هشة وتقلل الصلابة |
| Mn | ≤ 0.05 | موجود بكميات ضئيلة؛ ليس عنصرًا رئيسيًا في التقوية |
| Mg | 2.3–2.9 | عنصر رئيسي في تكوين ترسيبات η′ مع الزنك لتحقيق القوة العالية |
| Cu | 2.3–3.1 | يزيد القوة والصلادة؛ يحسن مقاومة الإجهاد لكنه قد يزيد حساسية SCC |
| Zn | 6.3–7.5 | العنصر السبيكي الأساسي الذي يحقق القوة الذروية عبر ترسيبات η/η′ |
| Cr | ≤ 0.04 | يستخدم للتحكم؛ أحيانًا يحسن سلوك حدود الحبوب |
| Ti | ≤ 0.08 | مزلق ومنظم لحجم الحبوب في عمليات السكب والسباكة |
| عناصر أخرى (Zr, V, إلخ) | Zr 0.08–0.20؛ بقايا أثرية | يضاف الزركونيوم عمدًا لتكوين تشتتات تتحكم في إعادة التبلور وتحسن هيكل الحبوب والصلابة |
يلعب كل عنصر دورًا دقيقًا: يتحد Zn مع Mg لتكوين ترسيبات η′ المسؤولة عن القوة العالية؛ يقوم Cu بتعديل تركيب الترسيبات وحركيتها لتحسين القوة ومقاومة الإجهاد لكنه قد يزيد خطر SCC؛ يتحكم Zr والعناصر الأثرية بحجم الحبيبات وإعادة التبلور أثناء المعالجة الحرارية الميكانيكية والمعالجة الحلولية مع التبريد، مما يحسن تحمل الضرر ويسمح للأقسام السميكة بالحفاظ على الخصائص المطلوبة.
الخواص الميكانيكية
تُظهر 7150 قوة شد وخضوع عالية جدًا في درجات التعتيق المناسبة، إلى جانب صلابة كسر جيدة ومقاومة لنمو شقوق الإجهاد عند معالجتها لتقليل ترسيبات حدود الحبوب الخشنة. سلوك الخضوع عادة خطي-مرن حتى نقطة الخضوع مع منصة خضوع محدودة؛ وتظهر السبيكة تمطيق مرضٍ حتى الكسر لكن استطالة موحدة منخفضة في درجات التعتيق الذروي.
تعتمد استطالة الفشل بشكل واضح على درجة المعالجة وشكل المنتج؛ درجات التعتيق والمخمرة تعطي ليونة محسنة، بينما الألواح والطرق المعالجة بالتعتيق الذروي تظهر استطالة أقل وقد تكون عرضة للكسر الهش تحت قيود عالية. تتبع الصلادة اتجاهات الشد وغالبًا ما تستخدم كرقم رقابي في المتجر للتحقق من درجة المعالجة؛ توزيع الصلادة عبر الأقسام السميكة يشير إلى فعالية التبريد.
تؤثر السماكة وحساسية التبريد بشكل قوي على التدرجات الميكانيكية: الألواح والبروفيلات السميكة أكثر عرضة لانخفاض الخصائص في منتصف السماكة بسبب تبريد أبطأ، إلا إذا تم تحسين تشتتات Zr وتنظيم الحبوب. يستفيد أداء الإجهاد من الترسيبات الدقيقة والموحدة والإجهادات المتبقية المضبوطة التي تنتجها درجات T651/T7451.
| الخاصية | O / مخمرة | درجة رئيسية (T6 / T651) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | 170–260 MPa | 540–590 MPa | قيم T6/T651 نموذجية للمنتجات المطروقة المعالجة جيدًا؛ تنخفض القيم مع زيادة السماكة والتعتيق الزائد |
| قوة الخضوع | 60–130 MPa | 480–520 MPa | القوى العالية تجعل 7150 مناسبة للمكونات الهيكلية التي تتعرض لإجهادات عالية |
| الاستطالة | 20–30% | 8–12% | تقل الاستطالة بشكل ملحوظ في درجات التعتيق الذروي؛ التعتيق الزائد يزيد الليونة بشكل معتدل |
| الصلادة (HB) | 40–80 HB | 150–175 HB | تماثل الصلادة القوة وتستخدم لفحص قبول معالجة الحرارة وفحص المنتج الوارد |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.81 g/cm³ | مميزة لسبائك Al‑Zn‑Mg‑Cu عالية القوة؛ مفيدة في التصاميم الحساسة للوزن |
| نطاق الانصهار | صلب ≈ 477 °C؛ سائل ≈ 635 °C | توسيع نطاق الانصهار مقارنة بالألمنيوم النقي بسبب السبيكة |
| التوصيل الحراري | ≈ 120–150 W/m·K | منخفض مقارنة بالألمنيوم النقي بسبب السبيكة؛ مناسب للعديد من التطبيقات الهيكلية لكنه غير مثالي لتبديد الحرارة عالي الأداء |
| التوصيل الكهربائي | ≈ 30–40 % IACS | انخفاض كبير في التوصيل مقارنة بالألمنيوم النقي |
| الحرارة النوعية | ≈ 0.88–0.92 J/g·K (880–920 J/kg·K) | درجة حرارة نوعية نموذجية للألمنيوم؛ مفيدة لحسابات الكتلة الحرارية |
| التوسع الحراري | ≈ 23.0–24.0 ×10⁻⁶ /K | مشابه لسبائك الألمنيوم المطروقة الأخرى؛ مهم لتصميم الوصلات مع المواد المختلفة |
تعكس الخصائص الفيزيائية نطاق خدمة السبيكة: الكثافة المنخفضة نسبيًا توفر قوة نوعية ممتازة، لكن السبيكة تقلل من التوصيل الحراري والكهربائي مقارنة بالألمنيوم النقي وبعض سبائك 5xxx/6xxx. يجب مراعاة التوسع الحراري في التجميعات غير المتجانسة حيث قد يؤدي التوسع التفاضلي إلى إجهادات وتركيزات إجهاد تسبب الإجهادات الميكانيكية والإجهاد الناجم عن التعب.
الخصائص الحرارية ونطاق الانصهار تتحكم في دورات المعالجة الحرارية وتحدد وسائط التبريد ودرجات حرارة الأدوات؛ كما يؤثر التوصيل الحراري على التسخين المحلي خلال عمليات التشغيل واللحام.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | التمبيلات الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.5–6.0 mm | عرضة للترطيب الموضعي إذا لم يتم معالجة التصلب بشكل صحيح | T6, T651, T73 | شائع للاستخدام في أغطية الطائرات والألواح المقواة؛ عادةً ما يتم التشكيل قبل التصلب النهائي |
| لوح | >6 mm حتى 150 mm | الحساسية للتبريد السريع تزيد مع السماكة؛ ممكن وجود منطقة رخوة في منتصف السماكة | T6, T651, T73 | الألواح السميكة تتطلب معالجة محكمة وسبائك تحتوي على Zr للحفاظ على الخصائص |
| بثق | مقاطع عرضية حتى ملفات كبيرة | تتفاوت الخصائص حسب سماكة المقطع ومسار التبريد | T6, T651, T76 | البثق يستفيد من التبريد السريع ومشتتات Zr لتوحيد الخصائص |
| أنبوب | قُطر من بضعة مم حتى أقطار كبيرة | سماكة الجدار تتحكم بالتبريد والهياكل الميكانيكية | T6, T73 | يستخدم لأنابيب الطيران والهياكل مع مراقبة جودة صارمة |
| قضيب/عصى | قطر / مقطع عرضي متغير | تاريخ العمليات المطروقة والملفوفة يؤثر على القوة والمتانة | T6, T651 | قضبان لأجزاء تحت إجهاد عالٍ ومكونات مخروطة؛ التسخين المسبق والتبريد ضروريان |
الشكل لا يؤثر فقط على الأبعاد المتاحة ولكن أيضاً على الخصائص التي يمكن تحقيقها بسبب ديناميكيات التبريد والتاريخ الحراري الميكانيكي. الألواح والبثائق الرقيقة تحقق عادةً مقاومات T6 المستهدفة بسهولة، في حين تتطلب الألواح السميكة والعمليات المطروقة معالجة حرارية ميكانيكية مخصصة ومراقبة المشتتات (مثل Zr) لمنع الرمال الرخوة في الوسط والحفاظ على أداء الكسر.
يجب على المصممين تنسيق تسلسلات التشكيل، تخفيف الإجهاد، والتصلب النهائي؛ عادةً ما يتم التشكيل قبل المعالجة الحرارية وتحسين العمر حيثما أمكن، ويجب ضبط سماحات التشغيل للسماح بتسخين موضعي والسيطرة على حالة السطح.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 7150 | الولايات المتحدة الأمريكية | تعيين حسب Aluminum Association لسبائك الحدادة؛ مستخدم على نطاق واسع في مواصفات الطيران |
| EN AW | سلسلة 7xxx (لا يوجد رقم واحد مباشر) | أوروبا | لا يوجد مكافئ EN مطابق؛ يُحدد الكيمياء والتمبيل حسب معايير AMS/EN |
| JIS | A7xxx (تقريباً) | اليابان | المعايير اليابانية تشير إلى سبائك عائلة 7000؛ المكافئة تتطلب مطابقة الكيمياء والتمبيل |
| GB/T | 7A50 (تقريباً) | الصين | سبائك عائلة 7A5x الصينية مشابهة جينومياً؛ الاستبدال المباشر يستلزم تحقق باستخدام المواصفات |
لا توجد مرجعية مثالية لأن المعايير الإقليمية تجمع بين الكيمياء، حدود الشوائب، والتمبيلات المسموح بها بطرق مختلفة. لأجزاء الطيران الحرجة، يجب على المهندسين مطابقة نطاقات الكيمياء، معايير المعالجة الحرارية (بما في ذلك معدلات التبريد والشد)، ومعايير التفتيش بدلاً من الاعتماد فقط على أسماء الدرجات الاسمية.
عند التوريد الدولي، يجب طلب شهادات المواد التي تتضمن التركيب الدقيق وقيم مقاومة الشد/الخضوع في التمبيل المورّد، وتفاصيل المعالجة الحرارية وأي تخفيف للإجهاد الميكانيكي لضمان التكافؤ في الأداء وسلوك الكسر.
مقاومة التآكل
تمتلك 7150 مقاومة معتدلة لتآكل الجو مقارنة بسبائك Al‑Mg النبيلة أكثر؛ في تمبيل نموذجي يمكنها الأداء بشكل كاف مع الطلاء أو طبقات التحويل. في البيئات البحرية أو المحتوية على كلوريد عالي، تكون أكثر عرضة للثقب والهجوم بين الحبيبي مقارنة بسبائك 5xxx أو بعض 6xxx إلا إذا تم تقادمها أو تغليفها.
تشققات الإجهاد والتآكل (SCC) تمثل مصدر قلق رئيسي لسبائك 7xxx عالية القوة. توفر تمبيلات T6/T651 في ذروة التصلب أقصى قوة لكنها أيضاً تزيد حساسية SCC؛ التقدم بالسن إلى T73 أو اختيار تمبيلات مصممة لمقاومة SCC (مثل عائلة T76) هو نهج شائع للتخفيف في الهياكل الحرجة.
يجب مراعاة التفاعلات الجلفانية حيث تلامس 7150 مواد أكثر نبالة كمادة كاثودية (فولاذ مقاوم للصدأ، التيتانيوم): الألمنيوم سيتآكل تفضيلياً إلا إذا كان معزولاً كهربائياً أو مغطى بشكل مناسب. مقارنة بسبائك سلسلة 6xxx (مثل 6061)، تقدم 7150 قوة وأداء تعب محسنان مقابل تقليل مقاومة التآكل المتأصلة وزيادة الحساسية للتشققات البيئية دون تدابير حماية.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
لحام 7150 تحدي: اللحام بالاندماج (TIG/MIG) يمكن أن يسبب فقدانًا شديدًا في القوة في منطقة تأثير الحرارة (HAZ) وعادة ما يُستبعد للأعضاء الهيكلية الأساسية. عند الحاجة للحام، يجب اختيار سبائك الحشو وممارسات الحل/التقدم بعد اللحام بعناية؛ ومع ذلك لا يمكن استعادة الخصائص الميكانيكية الأصلية للأصل بالكامل بالحام الموضعية.
اللحام الاحتكاكي بالتحريك (FSW) وطرق الربط الصلبة مفضلة لأنها تحد من الانصهار وتدعم الحفاظ على خصائص التمبيل، بالرغم من حدوث ترطيب في HAZ. سبائك الحشو المستخدمة عادة في ربط الألمنيوم (مثل 4043 و5356) لن تستعيد الخصائص الأساسية الأصلية وقد تثير اعتبارات جلفانية وسلوك كيميائي كهربائي مختلف.
قابلية التشغيل
كبمادة سبائكية عالية القوة Al‑Zn‑Mg‑Cu، تتمتع 7150 بقابلية تشغيل جيدة مقارنة بالفولاذ لكنها أكثر تطلبًا من سبائك 6xxx أو 5xxx العادية بسبب قوة ومتانة أعلى. يجب استخدام أدوات بها إدخالات من الكربيد ذات زاوية قطع إيجابية وتغذية عالية لتجنب الاحتكاك؛ سرعات القطع عادةً بين 200–600 م/دقيقة حسب العملية واستخدام المبرد.
يمكن التحكم في رقائق القطع بشكل جيد إذا تم استخدام هندسة أداة مناسبة ومبرد؛ لكن المعالجة بالعمل ليست عاملًا كما هو الحال مع بعض الفولاذ المقاوم للصدأ. يجب مراقبة سلامة السطح وتآكل الأدوات لأن الصلادة العالية في حالات التصلب الذروي يمكن أن تسرع التآكل الكاشط.
قابلية التشكيل
الأفضلية للتشكيل تكون في تمبيلات أطرى أو قبل التقدم بالسن النهائي لأن ظروف T6/T651 تمتلك دكتيلية محدودة وانحراف نابض. نصف أقطار الانحناء الدنيا أكبر في ظروف التصلب الذروي؛ يجب تحديد نصف أقطار الانحناء للعناصر الهيكلية المخروطة/المشكلة بحذر (مثلاً >2–3× السماكة للانحناءات الضيقة في التمبيلات أقوى).
التشكيل البارد متبوعاً بالمعالجة الحرارية والتصلب شائع لتحقيق الشكل والخصائص الميكانيكية النهائية؛ نادراً ما تُستخدم عمليات التشكيل الحراري والتشكيل الفائق اللدونة مع 7150 بسبب حساسية التبريد وسلوك الترسيبات التي تتحكم في الخصائص النهائية.
سلوك المعالجة الحرارية
يتم عادةً إجراء المعالجة بالحل لـ 7150 في نطاق 470–500 °C لإذابة عناصر السبائك في محلول صلب مشبع ومنع ذوبان مكونات ذات نقطة انصهار منخفضة. يتطلب التبريد السريع إلى درجة حرارة الغرفة (أو أقل) للحفاظ على الحالة المشبعة؛ التحكم في معدل التبريد أمر حرج في الأقسام السميكة لتجنب رخاوة منتصف السماكة.
يتبع التبريد التقدم بالسن الصناعي. دورات التقدم بالسن T6 النموذجية تستخدم درجات حرارة تقدم بالسن متوسطة (مثل 120