Aluminio 7150: Composición, Propiedades, Guía de Temple y Aplicaciones

Resumen Completo

7150 es una aleación de aluminio serie 7xxx que pertenece a la familia de alta resistencia Al‑Zn‑Mg‑Cu, utilizada ampliamente en aplicaciones estructurales de grado aeroespacial. Su composición química tiene al zinc como el principal elemento de aleación, con contribuciones significativas de magnesio y cobre, además de pequeñas adiciones de circonio para el control de la estructura de grano y la resistencia a la recristalización.

La aleación es tratable térmicamente y se fortalece principalmente mediante tratamiento térmico de solución seguido de temple y envejecimiento artificial para producir una dispersión densa de precipitados metaestables eta (η′) y relacionados. Este mecanismo de endurecimiento por precipitación produce resistencias muy altas al límite elástico y a la tracción en comparación con aleaciones de las series 1xxx–6xxx, manteniendo una tenacidad razonable cuando se procesa para resistencia a la fractura.

Las características clave del 7150 incluyen una relación fuerza-peso muy alta, buena resistencia al crecimiento de grietas por fatiga cuando está adecuadamente sobremadurado o tratado termomecánicamente, y una resistencia moderada a la corrosión que puede mejorarse mediante sobremadurado y recubrimiento. La soldabilidad y la conformabilidad son limitadas en los tratamientos envejecidos al estado óptimo, por lo que las elecciones de diseño y procesamiento a menudo sacrifican la conformabilidad para obtener mayor fuerza y rendimiento frente a la fractura.

Las industrias típicas incluyen estructuras primarias y secundarias aeroespaciales, componentes de defensa de alto rendimiento y aplicaciones industriales selectas de alta resistencia donde el ahorro de peso y la tolerancia al daño son críticos. Los ingenieros eligen 7150 cuando las combinaciones de alta resistencia estática, desempeño a fatiga y tenacidad aceptable superan la menor soldabilidad y el mayor costo del material en comparación con aleaciones más comunes.

Variantes de Tratamiento Térmico

Tratamiento	Nivel de Resistencia	Elongación	Conformabilidad	Soldabilidad	Notas
O	Bajo	Alta (20–30%)	Excelente	Regular	Recocido completo para máxima ductilidad y conformabilidad; rara vez usado en forjados estructurales
T6	Muy Alta	Baja–Moderada (8–12%)	Limitada	Mala	Envejecido al pico para máxima resistencia; común en piezas estructurales donde el conformado se realiza antes del envejecimiento
T651	Muy Alta	Baja–Moderada (8–12%)	Limitada	Mala	T6 más alivio de tensiones por estirado; usado para componentes de precisión para reducir tensiones residuales
T73	Alta	Moderada (10–14%)	Limitada	Mala–Regular	Condición sobremadurada para mejorar la resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC) a costa de la resistencia máxima
T76 / T7451 / T7751	Moderada–Alta	Moderada (10–15%)	Limitada	Mala–Regular	Diseñado para equilibrar resistencia al SCC, tenacidad frente a fractura y control de tensiones residuales para aplicaciones críticas en fuselajes

El tratamiento térmico modifica drásticamente el equilibrio entre resistencia, tenacidad y resistencia a la corrosión del 7150. El envejecido al pico T6/T651 ofrece las máximas resistencias estáticas pero aumenta la sensibilidad al agrietamiento por corrosión bajo tensión y reduce la ductilidad. Por otro lado, tratamientos sobremadurados como T73 sacrifican algo de resistencia para lograr una resistencia muy mejorada al SCC y a menudo una ductilidad ligeramente mayor.

La secuencia de fabricación y el servicio previsto dictan la selección del tratamiento: conformar piezas principales en estado O o en tratamientos en frío y luego someterlas a solución y envejecimiento cuando sea posible, o seleccionar tratamientos sobremadurados para componentes expuestos a ambientes corrosivos o que requieren mayor tenacidad frente a fractura.

Composición Química

Elemento	% Rango	Notas
Si	≤ 0.12	Bajo silicio controlado para reducir intermetálicos y mantener tenacidad frente a fractura
Fe	≤ 0.12	Límite de impurezas; niveles elevados pueden formar intermetálicos frágiles y reducir la tenacidad
Mn	≤ 0.05	Mínimo; no es un contribuyente principal de endurecimiento en esta aleación
Mg	2.3–2.9	Formador principal de precipitados con Zn para crear precipitados η′ y obtener alta resistencia
Cu	2.3–3.1	Aumenta la resistencia y dureza; mejora la fatiga pero puede incrementar la susceptibilidad al SCC
Zn	6.3–7.5	Elemento principal para alcanzar la resistencia máxima mediante precipitados η/η′
Cr	≤ 0.04	Traza controlada; a veces presente para modificar el comportamiento en límites de grano
Ti	≤ 0.08	Desoxidante y refinador de grano en procesamiento de fundición/lingote
Otros (Zr, V, etc.)	Zr 0.08–0.20; resto en trazas	Adiciones de Zr deliberadas para formar dispersoides que controlan la recristalización y mejoran la estructura de grano y la tenacidad

Cada elemento desempeña un papel preciso: Zn y Mg se combinan para formar los precipitados η′ responsables de la alta resistencia; Cu modifica la composición y cinética de los precipitados mejorando la resistencia y la fatiga pero puede aumentar el riesgo de SCC; Zr y elementos en trazas controlan el tamaño de grano y la recristalización durante el procesamiento termomecánico y los pasos de solución/temple, mejorando la tolerancia al daño y permitiendo secciones más gruesas que mantienen propiedades deseables.

Propiedades Mecánicas

El 7150 exhibe resistencias a la tracción y al límite elástico muy altas en tratamientos envejecidos apropiadamente, combinadas con buena tenacidad frente a fractura y resistencia al crecimiento de grietas por fatiga cuando se procesa para minimizar precipitados gruesos en límites de grano. El comportamiento al límite elástico es típicamente lineal-elástico hasta el punto de cedencia con un límite "plateau" reducido; la aleación muestra un endurecimiento por deformación razonable hasta la fractura pero menor elongación uniforme en estados envejecidos al pico.

La elongación hasta la fractura depende marcadamente del tratamiento térmico y la forma del producto; tratamientos recocidos o sobremadurados ofrecen mejor ductilidad, mientras que placas y forjados envejecidos al pico presentan menor elongación y pueden ser susceptibles a fractura frágil bajo alta restricción. La dureza sigue las tendencias de resistencia y se usa comúnmente como control en taller para verificación del tratamiento; la distribución de dureza en secciones gruesas puede indicar la eficacia del temple.

El espesor y la sensibilidad al temple afectan fuertemente los gradientes mecánicos: placas y extrusiones gruesas son más propensas a mostrar propiedades reducidas en el centro del espesor debido a menores velocidades de enfriamiento, salvo que se optimicen los refinadores de grano y dispersoides de Zr. El desempeño a fatiga se beneficia de precipitados finos y uniformes y tensiones residuales controladas producidas por tratamientos tipo T651/T7451.

Propiedad	O/Recocido	Tratamiento Clave (T6 / T651)	Notas
Resistencia a la tracción	170–260 MPa	540–590 MPa	Valores típicos para productos trabajados bien procesados; disminuyen con el espesor y el sobremadurado
Resistencia al límite elástico	60–130 MPa	480–520 MPa	Alta resistencia al cedido hace al 7150 adecuado para componentes estructurales altamente solicitados
Elongación	20–30%	8–12%	La elongación se reduce significativamente en tratamientos envejecidos al pico; el sobremadurado aumenta modestamente la ductilidad
Dureza (HB)	40–80 HB	150–175 HB	La dureza se correlaciona con la resistencia y es útil para inspección inicial y verificación del tratamiento térmico

Propiedades Físicas

Propiedad	Valor	Notas
Densidad	2.81 g/cm³	Típica de aleaciones Al‑Zn‑Mg‑Cu de alta resistencia; beneficia diseños sensibles al peso
Intervalo de fusión	Solidus ≈ 477 °C; Liquidus ≈ 635 °C	La aleación amplía el intervalo de fusión respecto al aluminio puro
Conductividad térmica	≈ 120–150 W/m·K	Reducida respecto al Al puro debido a la aleación; adecuada para muchas aplicaciones estructurales pero no óptima para disipadores térmicos de alto rendimiento
Conductividad eléctrica	≈ 30–40 % IACS	La aleación reduce significativamente la conductividad en comparación con el Al puro
Calor específico	≈ 0.88–0.92 J/g·K (880–920 J/kg·K)	Calor específico típico para aluminio útil en cálculos de masa térmica
Coeficiente de expansión térmica	≈ 23.0–24.0 ×10⁻⁶ /K	Similar a otras aleaciones de aluminio trabajadas; importante para diseño de uniones con materiales disímiles

Las propiedades físicas reflejan el rango de servicio de la aleación: la densidad relativamente baja proporciona una excelente resistencia específica, pero la aleación reduce las conductividades térmica y eléctrica en comparación con aluminio puro y algunas aleaciones de las series 5xxx/6xxx. La expansión térmica debe considerarse en ensamblajes heterogéneos porque la expansión diferencial puede provocar fatiga y concentraciones de tensión.

Las propiedades térmicas y el intervalo de fusión controlan los ciclos de tratamiento térmico y dictan los medios de temple y las temperaturas de herramientas; la conductividad térmica también afecta el calentamiento localizado durante operaciones de mecanizado y soldadura.

Formas del Producto

Forma	Espesor/Tamaño Típico	Comportamiento de Resistencia	Temple Común	Notas
Chapa	0.5–6.0 mm	Sensible a reblandecimiento local si no se envejece correctamente	T6, T651, T73	Común para revestimientos aeroespaciales y paneles reforzados; conformado usualmente antes del envejecimiento final
Placa	>6 mm hasta 150 mm	La sensibilidad al temple aumenta con el espesor; posible zona blanda en el espesor medio	T6, T651, T73	Placas gruesas requieren procesamiento controlado y aleaciones con Zr para mantener propiedades
Extrusión	Secciones transversales hasta perfiles grandes	Las propiedades pueden variar según el espesor de la sección y la ruta del temple	T6, T651, T76	Las extrusiones se benefician del enfriamiento rápido y los dispersoides de Zr para uniformidad de propiedades
Tubo	Ø de pocos mm hasta diámetros grandes	El espesor de pared controla el temple y gradientes mecánicos	T6, T73	Utilizado en tuberías aeroespaciales y marcos estructurales con control estricto de calidad
Barra/Varilla	Diámetro / sección transversal dependiente	Las historias de forjado y laminado influyen en resistencia/tenacidad	T6, T651	Barras para piezas sometidas a alta carga y componentes mecanizados; prácticas de precalentado y temple críticas

La forma afecta no solo las dimensiones disponibles sino también las propiedades alcanzables debido a la cinética de temple y la historia termomecánica. Las chapas y extrusiones delgadas logran más fácilmente las resistencias objetivo T6, mientras que las placas y forjados gruesos requieren procesamiento termomecánico personalizado y control de dispersoides (p. ej. Zr) para evitar zonas medias blandas y mantener el desempeño frente a fractura.

Los diseñadores deben coordinar las secuencias de conformado, alivio de tensiones y envejecimiento final; el conformado generalmente debe realizarse antes del tratamiento térmico en solución y envejecimiento final cuando sea factible, y las tolerancias de mecanizado deben permitir calentamiento local y control de la condición superficial.

Grados Equivalentes

Norma	Grado	Región	Notas
AA	7150	USA	Designación según Aluminum Association para aleación trabajada; uso extendido en especificaciones aeroespaciales
EN AW	Serie 7xxx (sin número único directo)	Europa	No existe equivalente EN exacto uno a uno; especificar química y temple conforme a AMS/EN
JIS	A7xxx (aprox.)	Japón	Las normas japonesas hacen referencia a aleaciones de la familia 7000; la equivalencia requiere ajuste de química y temple
GB/T	7A50 (aprox.)	China	Las aleaciones chinas 7A5x son genómicamente similares; la sustitución directa requiere verificación por especificación

No existe una equivalencia perfecta porque las normas regionales agrupan química, límites residuales y tempers permitidos de forma diferente. Para componentes aeroespaciales críticos, los ingenieros deben comparar rangos químicos, prácticas de tratamiento térmico (incluyendo velocidades de temple y estirado) y criterios de inspección en lugar de depender solo de los nombres nominales de grado.

Al abastecerse internacionalmente, solicite certificados de material que incluyan composición exacta, valores de tensión/límite de fluencia en el temple suministrado, y detalles del tratamiento térmico y cualquier alivio mecánico de tensiones para asegurar equivalencia en desempeño y comportamiento ante fractura.

Resistencia a la Corrosión

El 7150 muestra resistencia moderada a la corrosión atmosférica en comparación con aleaciones Al‑Mg más nobles; en temple típico puede funcionar adecuadamente con pintura o recubrimientos de conversión. En ambientes marinos o con alto contenido de cloruros es más susceptible a picaduras y ataque intergranular que las aleaciones 5xxx o algunas 6xxx salvo que se use sobreenvejecimiento o recubrimiento.

La fisuración por corrosión bajo tensión (SCC) es una preocupación principal para aleaciones 7xxx de alta resistencia. Los tempers pico envejecidos T6/T651 ofrecen máxima resistencia pero también máxima sensibilidad a SCC; el sobreenvejecimiento a T73 o la selección de tempers diseñados para resistencia a SCC (p. ej. familia T76) es estrategia común en estructuras críticas.

Se deben considerar interacciones galvánicas donde 7150 contacte materiales catódicos más nobles (aceros inoxidables, titanio): el aluminio se corroe preferentemente a menos que esté aislado eléctricamente o recubierto adecuadamente. En comparación con aleaciones serie 6xxx (p. ej. 6061), el 7150 ofrece mayor resistencia y desempeño en fatiga a costa de menor resistencia inherente a la corrosión y mayor sensibilidad a daño ambiental sin medidas protectoras.

Propiedades de Fabricación

Soldabilidad

Soldar 7150 es complejo: la soldadura por fusión (TIG/MIG) puede causar pérdida severa de resistencia en la zona afectada por calor (HAZ) y generalmente se desaconseja para elementos estructurales primarios. Cuando la soldadura es necesaria, la selección de aleaciones de aporte y prácticas post-soldadura de solución/envejecimiento deben ser cuidadosas; sin embargo, no suele ser factible restaurar completamente las propiedades mecánicas originales por soldadura localizada.

La soldadura por fricción-agitación (FSW) y métodos de unión en estado sólido son preferidos porque limitan la fusión y preservan más las propiedades del temple, aunque el ablandamiento en HAZ aún ocurre. Los aportes comúnmente usados en unión de aluminio (p. ej. 4043, 5356) no restauran las propiedades originales de la base y pueden introducir consideraciones galvánicas y comportamiento electroquímico diferente.

Mecanizado

Como aleación Al‑Zn‑Mg‑Cu de alta resistencia, el 7150 tiene buena mecanizabilidad comparado con aceros pero es más exigente que aleaciones comunes 6xxx o 5xxx debido a su mayor resistencia y tenacidad. Las herramientas deben usar plaquitas de carburo con ángulo positivo y alimentación alta para evitar arrastre; las velocidades de corte típicas oscilan entre 200–600 m/min según operación y uso de refrigerante.

El control de viruta puede ser bueno si se usan geometrías adecuadas y refrigeración; sin embargo, el endurecimiento por trabajo no es factor como en algunos aceros inoxidables. Se debe monitorear la integridad superficial y desgaste de herramienta, pues la alta dureza en estados pico aumenta el desgaste abrasivo.

Formabilidad

El conformado se realiza mejor en tempers más blandos o antes del envejecimiento final porque las condiciones T6/T651 tienen ductilidad limitada y recuperación elástica. Los radios mínimos de doblado son mayores en estados pico; radios típicos de doblado para elementos estructurales mecanizados/conformados deben especificarse de forma conservadora (p. ej. >2–3× espesor para dobleces cerrados en tempers más resistentes).

El conformado en frío seguido de tratamiento en solución y envejecimiento es ruta común para lograr geometría y propiedades finales; procesos de conformado en caliente y superplástico son raramente usados en 7150 debido a sensibilidad al temple y comportamiento de precipitados que controlan propiedades finales.

Comportamiento del Tratamiento Térmico

El tratamiento en solución para 7150 se realiza típicamente en el rango 470–500 °C para disolver elementos de aleación en solución sólida sobresaturada mientras se evita la fusión incipiente de constituyentes de bajo punto de fusión. Es necesario el temple rápido a temperatura ambiente (o menor) para mantener la sobresaturación; el control de la velocidad de temple es crítico en secciones gruesas para evitar ablandamiento en medio espesor.

El envejecimiento artificial sigue al temple. Los ciclos típicos de envejecimiento T6 usan temperaturas intermedias de envejecimiento (p. ej., 120