Aluminium 7150: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandstabelle & Anwendungsbereiche
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Umfassender Überblick
7150 ist eine Aluminiumlegierung der 7xxx-Serie, die zur hochfesten Al-Zn-Mg-Cu-Familie gehört und umfangreich in luftfahrttechnischen Strukturbauteilen eingesetzt wird. Die Legierungschemie basiert auf Zink als Hauptlegierungselement mit bedeutenden Anteilen von Magnesium und Kupfer sowie geringen Zusätzen von Zirkonium zur Kornstrukturkontrolle und Rekristallisationsbeständigkeit.
Die Legierung ist wärmebehandelbar und wird hauptsächlich durch Lösungsglühen, gefolgt von Abschrecken und künstlichem Altern, gehärtet, um eine dichte Verteilung metastabiler eta (η′) und verwandter Ausscheidungen zu erzeugen. Dieser Ausscheidungshärteprozess führt zu sehr hoher Streck- und Zugfestigkeit im Vergleich zu Legierungen der Serien 1xxx–6xxx, wobei bei entsprechendem Bruchwiderstands-verarbeitungsprozess eine angemessene Zähigkeit erhalten bleibt.
Wichtige Merkmale von 7150 umfassen ein sehr hohes Festigkeits-zu-Gewichts-Verhältnis, gute Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungsrissausbreitung bei entsprechendem Überalterungs- oder thermomechanischem Verfahren sowie moderate Korrosionsbeständigkeit, die durch Überalterung und Beschichtung verbessert werden kann. Die Schweißbarkeit und Umformbarkeit sind in den ausscheidungshärtesten Zuständen eingeschränkt, weshalb Konstruktion und Fertigung häufig die Umformbarkeit zugunsten von Festigkeit und Bruchverhalten abwägen.
Typische Einsatzbereiche sind primäre und sekundäre Luftfahrtstrukturen, hochbelastete Verteidigungskomponenten und ausgewählte hochfeste Industrieanwendungen, bei denen Gewichtsersparnis und Schadensresistenz entscheidend sind. Ingenieure wählen 7150, wenn Kombinationen aus hoher statischer Festigkeit, Ermüdungsleistung und akzeptabler Zähigkeit die eingeschränkte Schweißbarkeit und höheren Materialkosten gegenüber gebräuchlicheren Legierungen überwiegen.
Zustandsvarianten
| Zustand | Festigkeitsniveau | Bruchdehnung | Umformbarkeit | Schweißbarkeit | Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Niedrig | Hoch (20–30%) | Ausgezeichnet | Ausreichend | Vollständig geglüht für maximale Duktilität und Umformbarkeit; selten für Struktur-Schmiedeteile verwendet |
| T6 | Sehr hoch | Niedrig–Mittel (8–12%) | Begrenzt | Schlecht | Ausscheidungshärtung auf Höchstfestigkeit; üblich für Strukturteile, bei denen Umformen vor dem Altern erfolgt |
| T651 | Sehr hoch | Niedrig–Mittel (8–12%) | Begrenzt | Schlecht | T6 plus Spannungsarmglühen durch Dehnen; verwendet für Präzisionsbauteile zur Reduzierung von Eigenspannungen |
| T73 | Hoch | Mittel (10–14%) | Begrenzt | Schlecht–Ausreichend | Überalterter Zustand zur Verbesserung der Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion (SCC) auf Kosten der Höchstfestigkeit |
| T76 / T7451 / T7751 | Mittel–Hoch | Mittel (10–15%) | Begrenzt | Schlecht–Ausreichend | Entwickelt, um SCC-Widerstand, Bruchzähigkeit und Eigenspannungskontrolle für kritische Luftfahrzeuganwendungen auszubalancieren |
Der Zustand beeinflusst maßgeblich das Gleichgewicht von Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit von 7150. Der ausscheidungshärtende T6/T651-Zustand erzielt die maximalen statischen Festigkeiten, erhöht jedoch die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion und verringert die Duktilität, während überalterte Zustände wie T73 einige Festigkeit zugunsten deutlich verbesserter SCC-Beständigkeit und oft leicht erhöhter Duktilität eintauschen.
Die Fertigungsreihenfolge und der vorgesehene Einsatz bestimmen die Wahl des Zustands: Große Grundformen in O oder kaltverformten Zuständen formen und danach wenn möglich lößen und altern oder überalterte Zustände für Bauteile wählen, die korrosiven Umgebungen ausgesetzt sind oder höhere Bruchzähigkeit erfordern.
Chemische Zusammensetzung
| Element | % Bereich | Bemerkungen |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0,12 | Kontrolliert niedriger Siliziumgehalt zur Reduzierung von Intermetallischen Phasen und Erhaltung der Bruchzähigkeit |
| Fe | ≤ 0,12 | Verunreinigungsgrenze; erhöhter Fe-Gehalt kann spröde Intermetallische Phasen bilden und die Zähigkeit mindern |
| Mn | ≤ 0,05 | Minimal; kein wesentlicher Festigkeitsbeitrag in dieser Legierung |
| Mg | 2,3–2,9 | Hauptausscheidungsbildner mit Zn zur Bildung von η′-Phasen für hohe Festigkeit |
| Cu | 2,3–3,1 | Erhöht Festigkeit und Härte; verbessert Ermüdungsbeständigkeit, kann aber SCC-Anfälligkeit erhöhen |
| Zn | 6,3–7,5 | Hauptlegierungselement, das durch η/η′-Ausscheidungen die Höchstfestigkeit steuert |
| Cr | ≤ 0,04 | Spurenelement zur Kornrandmodifikation |
| Ti | ≤ 0,08 | Entoxidationsmittel und Kornfeiner bei Guss-/Gehängeprozessen |
| Sonstige (Zr, V, etc.) | Zr 0,08–0,20; übrige Spurenelemente | Zr-Zusätze sind gezielt, um Dispersoide zu bilden, die Rekristallisation kontrollieren und Kornstruktur sowie Zähigkeit verbessern |
Jedes Element erfüllt eine spezifische Funktion: Zn und Mg bilden zusammen die η′-Ausscheidungen, die für die hohe Festigkeit verantwortlich sind; Cu beeinflusst Zusammensetzung und Kinetik der Ausscheidungen und verbessert Festigkeit und Ermüdungswiderstand, kann jedoch das Spannungsrisskorrosionsrisiko erhöhen; Zr und Spurenelemente steuern Kornfeinung und Rekristallisation bei thermomechanischer Verarbeitung sowie Lösungsglühen/Abschrecken, verbessern dadurch Schadensresistenz und ermöglichen dickere Querschnitte mit gewünschten Eigenschaften.
Mechanische Eigenschaften
7150 zeigt sehr hohe Zug- und Streckgrenzen in den entsprechend gealterten Zuständen, kombiniert mit guter Bruchzähigkeit und Widerstand gegen Ermüdungsrissausbreitung, vorausgesetzt, grobkörnige Korngrenzenausscheidungen werden minimiert. Das Fließverhalten ist typischerweise linear-elastisch bis zur Streckgrenze mit begrenztem Streckplattenbereich; die Legierung weist eine vernünftige Verfestigung bis zum Bruch, aber eine geringere Gleichmaßdehnung in ausscheidungshärtenden Zuständen auf.
Die Bruchdehnung hängt stark vom Zustand und Produktformat ab; geglühte oder überalterte Zustände bieten verbesserte Duktilität, während ausscheidungshärtende Platten und Schmiedeteile geringere Dehnungen aufweisen und bei hoher Beanspruchung anfällig für spröden Bruch sein können. Die Härte folgt den Zugfestigkeitstrends und wird häufig als Fertigungsprüfung für Zustandskontrolle verwendet; Härteunterschiede in dicken Querschnitten können Hinweise auf Abschreckqualität geben.
Dicke und Abschreckempfindlichkeit beeinflussen mechanische Eigenschaftsgradienten stark: Platten und dicke Profile zeigen oft reduzierte Eigenschaften in der Mitte des Querschnitts durch langsamere Abkühlung, sofern Kornfeinerung und Zr-Dispersoide nicht optimiert sind. Die Ermüdungsleistung profitiert von feinen, gleichmäßigen Ausscheidungen und kontrollierten Eigenspannungen, wie sie bei T651/T7451-Typ Zuständen erreicht werden.
| Eigenschaft | O/Geglüht | Wesentlicher Zustand (T6 / T651) | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit | 170–260 MPa | 540–590 MPa | T6/T651-Werte typisch für gut verarbeitete Knetprodukte; sinken mit zunehmender Dicke und Überalterung |
| Streckgrenze | 60–130 MPa | 480–520 MPa | Hohe Streckgrenzen machen 7150 geeignet für hochbeanspruchte Strukturbauteile |
| Bruchdehnung | 20–30% | 8–12% | Bruchdehnung sinkt deutlich in peak-gealterten Zuständen; Überalterung hebt die Duktilität leicht an |
| Härte (HB) | 40–80 HB | 150–175 HB | Härte korreliert mit Festigkeit und dient der Wareneingangsprüfung und Wärmebehandlungsüberwachung |
Physikalische Eigenschaften
| Eigenschaft | Wert | Bemerkungen |
|---|---|---|
| Dichte | 2,81 g/cm³ | Typisch für hochfeste Al-Zn-Mg-Cu-Legierungen; begünstigt gewichtssensitive Konstruktionen |
| Schmelzbereich | Solidus ≈ 477 °C; Liquidus ≈ 635 °C | Legierung erweitert den Schmelzbereich gegenüber reinem Aluminium |
| Wärmeleitfähigkeit | ≈ 120–150 W/m·K | Geringer als bei reinem Al durch Legierung; ausreichend für viele Struktur-Anwendungen, aber nicht optimal für Hochleistungs-Wärmeableitung |
| Elektrische Leitfähigkeit | ≈ 30–40 % IACS | Legierung verringert die Leitfähigkeit deutlich gegenüber reinem Al |
| Spezifische Wärme | ≈ 0,88–0,92 J/g·K (880–920 J/kg·K) | Typischer Wert im Aluminium-Bereich, nützlich für thermische Masseberechnungen |
| Wärmeausdehnung | ≈ 23,0–24,0 ×10⁻⁶ /K | Ähnlich wie bei anderen gewalzten Al-Legierungen; wichtig für Verbindungsdesign bei heterogenen Materialien |
Die physikalischen Eigenschaften spiegeln das Einsatzspektrum der Legierung wider: Relativ niedrige Dichte sorgt für hervorragende spezifische Festigkeit, aber Legierungselemente mindern die thermische und elektrische Leitfähigkeit gegenüber reinem Aluminium und einigen 5xxx/6xxx-Serien Legierungen. Die Wärmeausdehnung muss bei heterogenen Baugruppen berücksichtigt werden, da unterschiedliche Ausdehnungen Ermüdung und Spannungskonzentrationen verursachen können.
Thermische Eigenschaften und Schmelzbereich steuern Wärmebehandlungszyklen und bestimmen Abschreckmedien und Werkzeugtemperaturen; Wärmeleitfähigkeit beeinflusst auch lokale Erwärmungen bei Zerspanung und Schweißprozessen.
Produktformen
| Form | Typische Dicke/Größe | Festigkeitsverhalten | Gängige Anlaszzustände | Hinweise |
|---|---|---|---|---|
| Blech | 0,5–6,0 mm | Empfindlich gegenüber lokalem Erweichen bei unzureichender Auslagerung | T6, T651, T73 | Häufig verwendet für Flugzeughaut und verstärkte Platten; Umformen erfolgt meist vor der endgültigen Auslagerung |
| Platte | >6 mm bis 150 mm | Abschreckempfindlichkeit nimmt mit der Dicke zu; möglicherweise weiche Zone in der Mitteldicke | T6, T651, T73 | Dicke Platten erfordern kontrollierte Verarbeitung und Zr-haltige Legierungen zur Eigenschaftserhaltung |
| Strangpressprofil | Querschnitte bis hin zu großen Profilen | Eigenschaften können je nach Querschnittsdicke und Abschreckweg variieren | T6, T651, T76 | Strangpressprofile profitieren von schneller Abkühlung und Zr-Dispersoiden für gleichmäßige Eigenschaften |
| Rohr | Ø wenige mm bis große Durchmesser | Wanddicke steuert Abschreck- und mechanische Gradienten | T6, T73 | Verwendet für Luft- und Raumfahrtrohre sowie tragende Rahmen mit strenger Qualitätskontrolle |
| Stab/Rundstahl | Durchmesser / Querschnitt abhängig | Schmiede- und Walzgeschichten beeinflussen Festigkeit/Zähigkeit | T6, T651 | Stäbe für hochbelastete Verbindungselemente und bearbeitete Komponenten; Aufheizen und Abschreckverfahren sind kritisch |
Die Form beeinflusst nicht nur verfügbare Dimensionen, sondern auch erzielbare Eigenschaften aufgrund der Abschreckkinetik und thermomechanischen Vorgeschichte. Blech und dünne Strangpressprofile erreichen leichter die Zielwerte für T6-Festigkeiten, während Platten und dicke Schmiedeteile maßgeschneiderte thermomechanische Prozesse und Dispersoidkontrolle (z. B. Zr) benötigen, um weiche Mittelschichten zu verhindern und Bruchverhalten sicherzustellen.
Konstrukteure müssen Umformsequenzen, Spannungsarmglühen und Endauslagerung koordinieren; Umformen sollte grundsätzlich vor der endgültigen Lösungsglühung und Auslagerung erfolgen, sofern möglich, und Bearbeitungszulagen sollten so bemessen sein, dass lokale Erwärmungen und Oberflächenzustände kontrolliert werden können.
Äquivalente Güten
| Norm | Güte | Region | Hinweise |
|---|---|---|---|
| AA | 7150 | USA | Bezeichnung gemäß Aluminum Association für Schmiedlegierung; weit verbreitet in Luftfahrtnormen |
| EN AW | 7xxx-Serie (kein direktes Einzelkennzeichen) | Europa | Kein exaktes 1:1 EN-Äquivalent; Chemie und Anlaszzustand gemäß AMS/EN-Normen spezifizieren |
| JIS | A7xxx (ca.) | Japan | Japanische Normen beziehen sich auf Legierungen der 7000er Familie; Äquivalenz erfordert Chemie- und Temperaturabgleich |
| GB/T | 7A50 (ca.) | China | Chinesische 7A5x-Familie ist genomisch ähnlich; direkte Substitution muss spezifikationsbedingt geprüft werden |
Eine perfekte Kreuzreferenz gibt es nicht, da regionale Normen Chemie, Rückstandsgrenzen und zugelassene Anlaszzustände unterschiedlich definieren. Für kritische Luftfahrtbauteile müssen Ingenieure chemische Bereiche, Wärmebehandlungspraktiken (einschließlich Abschreckgeschwindigkeiten und Verzug) sowie Prüfkriterien präzise anpassen und sich nicht nur auf Gütenamen verlassen.
Beim internationalen Einkauf sollten Materialzertifikate die exakte Zusammensetzung, Zug-/Streckwerte im gelieferten Zustand sowie Details der Wärmebehandlung und etwaigem mechanischem Spannungsabbau enthalten, um Leistungs- und Bruchverhaltenäquivalenz sicherzustellen.
Korrosionsbeständigkeit
7150 zeigt moderate atmosphärische Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu edleren Al‑Mg-Legierungen; im üblichen Anlaszzustand kann es mit Lackierung oder Umwandlungsbeschichtung ausreichend geschützt werden. In marinen oder chloridehaltigen Umgebungen ist es anfälliger für Lochfraß und interkristalline Korrosion als 5xxx- oder manche 6xxx-Legierungen, sofern nicht überaltert oder verblendet.
Spannungsrisskorrosion (SCC) ist ein Hauptproblem für hochfeste 7xxx-Legierungen. Spitzenausgealterte T6/T651-Zustände bieten maximale Festigkeit, jedoch auch maximale SCC-Empfindlichkeit; Überalterung auf T73 oder Wahl speziell für SCC optimierter Zustände (z. B. T76-Familie) ist eine gängige Strategie zur Risikominderung bei sicherheitskritischen Strukturen.
Galvanische Wechselwirkungen sind zu beachten, wenn 7150 mit edleren kathodischen Werkstoffen (Edelstahl, Titan) in Kontakt kommt: Das Aluminium korrodiert bevorzugt, sofern keine elektrische Isolation oder geeignete Beschichtung vorhanden ist. Im Vergleich zu 6xxx-Legierungen (z. B. 6061) tauscht 7150 eine verbesserte Festigkeit und Ermüdungsleistung gegen geringere inhärente Korrosionsbeständigkeit und höhere Empfindlichkeit gegenüber Umweltspaltkorrosion ohne Schutzmaßnahmen.
Fertigungseigenschaften
Schweißbarkeit
Das Schweißen von 7150 ist anspruchsvoll: Lichtbogenschweißen (WIG/MAG) kann zu erheblichen Festigkeitsverlusten im Wärmeeinflussgebiet (WEZ) führen und wird für tragende Hauptstrukturen generell nicht empfohlen. Wann immer Schweißen erforderlich ist, müssen Füllwerkstoffe und nachgeschaltete Lösungsglühen-/Auslagerungsprozesse sorgfältig ausgewählt werden; eine vollständige Wiederherstellung der mechanischen Grundwerkstoffeigenschaften durch lokales Schweißen ist jedoch meist nicht möglich.
Reibschweißen (FSW) und kraftschlüssige Fügeverfahren sind bevorzugt, da sie Schmelzen vermeiden und mehr Temper-Eigenschaften erhalten, obwohl WEZ-Erweichungen auftreten können. Übliche Aluminiumschweißfüller (z. B. 4043, 5356) stellen die ursprünglichen Grundwerkstoffeigenschaften nicht wieder her und können galvanische Wechselwirkungen sowie unterschiedliche elektrochemische Verhaltensweisen verursachen.
Zerspanbarkeit
Als hochfeste Al‑Zn‑Mg‑Cu-Legierung weist 7150 im Vergleich zu Stählen eine gute Zerspanbarkeit auf, ist aber anspruchsvoller als gängige 6xxx- oder 5xxx-Legierungen aufgrund höherer Festigkeit und Zähigkeit. Werkzeuge sollten Hartmetallplatten mit positivem Spanwinkel und hoher Vorschubrate verwenden, um Reibung zu vermeiden; Schnittgeschwindigkeiten liegen meist zwischen 200–600 m/min je nach Bearbeitung und Kühlschmierstoff.
Spanformergebnisse können gut sein, wenn passende Werkzeuggeometrie und Kühlschmierstoffe genutzt werden; eine Kaltverfestigung tritt nicht wie bei manchen Edelstählen auf. Oberflächenqualität und Werkzeugverschleiß müssen überwacht werden, da die hohe Härte im ausgealterten Zustand abrasiven Verschleiß beschleunigen kann.
Umformbarkeit
Das Umformen sollte vorzugsweise in weicheren Zuständen oder vor der Endaugelagerung erfolgen, da T6/T651-Zustände nur begrenzte Umformbarkeit und Federweg besitzen. Minimale Biegeradien sind in ausgealtertem Zustand größer; typische Biegeradien für bearbeitete/umgeformte Strukturelemente sollten konservativ gewählt werden (z. B. >2–3× Blechdicke bei engen Radien in härteren Zuständen).
Kaltumformen gefolgt von Lösungsglühen und Auslagerung ist ein häufig angewandter Weg zur Erreichung der Endgeometrie und mechanischen Eigenschaften; Warmumformen und superplastisches Umformen werden bei 7150 selten angewandt wegen Abschreckempfindlichkeit und Ausscheidungsverhalten, die die Endeigenschaften steuern.
Wärmebehandlungsverhalten
Das Lösungsglühen von 7150 erfolgt typischerweise im Bereich 470–500 °C, um Legierungselemente in eine übersättigte feste Lösung zu überführen, ohne das Schmelzen niedrigschmelzender Bestandteile zu initiieren. Eine schnelle Abschreckung auf Raumtemperatur (oder kälter) ist erforderlich, um den übersättigten Zustand zu erhalten; die Abschreckgeschwindigkeit ist bei dicken Bauteilen kritisch, um Mittelschichtweichstellen zu vermeiden.
Künstliche Auslagerung folgt dem Abschrecken. Übliche T6-Auslagerzyklen nutzen mittlere Auslagertemperaturen (z. B. 120