Алюминий 7099: состав, свойства, руководство по состоянию и области применения

Общий обзор

7099 — высокопрочный алюминиевый сплав серии 7xxx на основе Al-Zn-Mg(-Cu). Он разработан для ответственных конструкционных применений, где требуется высокая удельная прочность, хорошая трещиностойкость и повышенная стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением по сравнению с базовыми сплавами 7xxx.

Основные легирующие элементы в 7099 — цинк, магний и медь, с микро легирующими добавками в виде циркония и небольших количеств хрома или титана для контроля структуры зерен и рекристаллизации. Упрочнение в основном происходит за счёт осадочного упрочнения (термически упрочняемый сплав) путём образования мелких осаждённых фаз η' и η (MgZn2) после растворяющей обработки и искусственного старения; контролируемая микроструктура также обеспечивает управление границами зерен для снижения восприимчивости к SCC.

Ключевые характеристики 7099 включают очень высокую временную и предел текучести при закаленных состояниях, умеренную или низкую коррозионную стойкость, характерную для сплавов с высоким содержанием цинка (однако часто улучшаемую перезакалкой или постобработкой после изготовления), ограниченную свариваемость в пиковых состояниях и пониженную деформируемость по сравнению со сплавами серий 3xxx/5xxx. Типичные отрасли применения — аэрокосмическая промышленность, высокопроизводительные автомобили, оборона и некоторые виды спортивного снаряжения с повышенными требованиями к прочности и минимизации массы. Инженеры выбирают 7099, когда сочетание очень высокой прочности, трещиностойкости и управляемой стойкости к SCC превосходит недостатки по деформируемости, электропроводности и сварной целостности.

Варианты состояний (темпера)

Темпера	Уровень прочности	Относительное удлинение	Деформируемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое	Отличная	Отличная	Полностью отожжённое состояние, максимальная пластичность для формовки
T1	Средний	Среднее	Хорошая	От плохой до удовлетворительной	Охлажден после горячей обработки и естественно старен
T4	Средне-высокий	Среднее	Удовлетворительная	Плохая	Растворяющая обработка и естественное старение
T6	Очень высокий	Низкое-среднее	Ограниченная	Плохая	Растворяющая обработка и искусственное старение до пиковых значений прочности
T651	Очень высокий	Низкое-среднее	Ограниченная	Плохая	T6 с растяжением для снятия внутреннего напряжения после закалки
T73 / T76	Средне-высокий	Среднее	Улучшенная	Лучше чем у T6	Перезакаленные состояния для повышения устойчивости к SCC и отслаиванию коррозии
H14 / H24	Средний	Пониженное	Ограниченная	Лучше чем у T6	Упрочнение деформацией для листовых изделий

Темпера оказывает основное влияние на механический баланс прочности, пластичности и коррозионной стойкости. Пиковые состояния старения (T6/T651) максимизируют статическую прочность и усталостную стойкость, но снижают деформируемость и увеличивают восприимчивость к SCC; перезакаленные состояния (T73/T76) жертвуют частью прочности ради улучшения вязкости разрушения и коррозионной устойчивости.

Химический состав

Элемент	Диапазон, %	Примечания
Si	≤ 0.10	Контроль примесей; низкое содержание снижает образование интерметаллидов, ухудшающих вязкость
Fe	≤ 0.25–0.50	Примесь; способствует образованию интерметаллидов, которые могут инициировать усталостные трещины
Mn	≤ 0.10	Незначительная, обычно ограничивается для уменьшения вредных фаз
Mg	~2.0–3.0	Основной элемент для осадочного упрочнения (образование MgZn2)
Cu	~1.2–2.6	Повышает прочность и участвует в последовательности старения; влияет на коррозионную стойкость и SCC
Zn	~6.5–8.5	Главный упрочняющий элемент, обеспечивающий высокую пиковую прочность за счёт осадков Mg-Zn
Cr	~0.02–0.25	Добавляется в следовых количествах для контроля рекристаллизации и улучшения структуры зерен
Ti	≤ 0.10	Мелкодиспергирующий элемент для рафинирования зерна
Прочие	Баланс (Al) + следы Zr, Ag и др.	Цирконий и другие микроэлементы часто используются для контроля дисперсий и ингибирования рекристаллизации

Приведённые диапазоны элементов типичны для высокопрочных сплавов серии 7xxx и служат ориентировочными составами, а не точными спецификациями. Цинк, магний и медь взаимно усиливают образование мелкой осадочной фазы, ответственной за высокую прочность; микро легирующие добавки Zr/Cr/Ti обеспечивают стабильную структуру подкрупных зерен, устойчивую к рекристаллизации, повышая вязкость и снижая склонность к SCC.

Механические свойства

7099 обладает широким диапазоном пределов прочности, сильно зависящим от состояния (темпера). Отожжённый материал демонстрирует пластичные характеристики с высоким равномерным удлинением, а пиковые состояния достигают пределов прочности, сопоставимых с самыми прочными алюминиевыми сплавами, применяемыми в аэрокосмической отрасли. Предел текучести в состояниях T6/T651 достаточно высок для замены части стальных компонентов по массе, однако удлинение и гибкость при этом ограничены. Твёрдость хорошо коррелирует с прочностью и используется как индикатор качества и контроля старения.

Усталостные характеристики 7099 в оптимальных состояниях сильны по сравнению с другими алюминиевыми сплавами благодаря строгому контролю включений и структуры зерен; однако ресурс по усталости чувствителен к состоянию поверхности, остаточным напряжениям и воздействию окружающей среды. Влияние толщины заметно: толстые секции сложнее равномерно подвергнуть растворяющей обработке, могут сохранять градиенты свойств по толщине и склонны к отслаиванию или межкристаллитной коррозии при неправильном старении или перезакалке.

Коррозионное размягчение и влияние зоны термического влияния (ЗТИ) при сварке или локальном нагреве могут значительно снижать локальную прочность и усталостную долговечность; поэтому механические характеристики всегда должны оцениваться с учётом технологий изготовления и выбранного состояния.

Свойство	О/Отожжённое	Ключевое состояние (например, T6/T651)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	~220–300 MPa (типично)	~540–620 MPa (типично)	Пиковые значения зависят от сплава и состояния; диапазоны отражают типичные инженерные значения
Предел текучести	~90–150 MPa	~470–560 MPa	Соотношение текучести к прочности зависит от состояния и истории обработки
Относительное удлинение	~15–25%	~6–12%	Пластичность снижается с ростом прочности; при проектировании учитывать ограниченную формуемость в состояниях высокой прочности
Твёрдость	~40–80 HB	~150–185 HB	Твёрдость по Бринеллю или Виккерсу хорошо коррелирует с прочностью и используется для контроля процессов

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	~2.78–2.81 г/см³	Типична для высокопрочных алюминиево-цинково-магниево-медных сплавов; обеспечивает высокую удельную прочность
Температура плавления	Солидус ≈ 475–500 °C; Ликвидус ≈ 635–655 °C	Легирующие элементы понижают солидус по сравнению с чистым алюминием; значения зависят от точного состава
Теплопроводность	~120–160 Вт/(м·К) (около комнатной температуры)	Ниже, чем у чистого алюминия; снижается с увеличением степени легирования
Электропроводность	~30–50 %IACS (типично)	Существенно ниже, чем у чистого алюминия; зависит от температуры и состояния осадочного упрочнения
Удельная теплоёмкость	~0.85–0.92 Дж/г·К	Похожая на другие алюминиевые сплавы; полезна при тепловом расчёте
Коэффициент теплового расширения	~23–24 µm/(м·К) (20–100 °C)	Типичное тепловое расширение алюминия; учитывать при проектировании узлов с материалами с низким коэффициентом расширения

Приведённые физические свойства являются приблизительными инженерными значениями, предназначенными для предварительных расчётов тепловых и массогабаритных характеристик. Теплопроводность и электропроводность снижаются по сравнению с чистым алюминием из-за легирования и осадочного упрочнения; эти изменения влияют на тепловыделение и электромагнитное поведение компонентов высокой производительности.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Характеристика прочности	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0.4–6.0 мм	Высокое отношение прочности к весу в T6/T651; лист полной толщины в T73 для повышенной стойкости к SCC	O, Hx, T6, T651, T73	Широко используется для панелей и формованных обшивок, где требуются прочность и жёсткость
Плита	6–100+ мм	Возможны градиенты свойств по толщине; в более толстых секциях зачастую требуется специальная термообработка раствором	T6, T651, T76	Обработка плит требует крупных печей и контроля охлаждения, чтобы избежать размягчения сердцевины
Экструзия	Профили до нескольких сотен мм	Высокое временное сопротивление в пиковых состояниях после старения; направленность экструзии влияет на свойства	T6, T651, T73	Экструдированные конструкционные элементы выигрывают от добавок для контроля рекристаллизации
Труба	Диаметры и толщина стенок различаются	Поведение аналогично экструзиям; окружные и осевые свойства различаются	T6, T651	Трубные изделия требуют старения после экструзии для достижения заданных свойств
Пруток / Круг	Диаметры от малых до больших	Свойства зависят от исходного материала и режимов охлаждения	O, T6, T651	Используется для механической обработки высокопрочных деталей и заготовок под крепёж

Маршрут обработки существенно влияет на конечные свойства: прокатка и экструзия сопровождаются значительной деформацией и рекристаллизацией, которые необходимо контролировать с помощью микролегирования (Zr, Cr) для сохранения благоприятной субзеренной структуры. Плиты и толстостенные изделия требуют более интенсивной термообработки раствором и тщательного отжига для предотвращения размягчения по центру, тогда как тонкие листы легче подвергаются равномерному старению и могут быть деформированы в более мягких состояниях перед окончательным старением.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	7099	США	Обозначение используется в некоторых каталогах поставщиков и авиационных спецификациях
EN AW	Нет прямого универсального эквивалента	Европа	Нет единого EN номера, однозначно соответствующего 7099; похожие сплавы — варианты семейства EN AW-7075 / EN AW-7050
JIS	—	Япония	Прямой эквивалент по JIS не распространён; материал может поставляться по фирменным авиационным спецификациям
GB/T	—	Китай	Китайские стандарты могут включать высокопрочные Zn-Mg-Cu сплавы, но прямое соответствие требует сопоставления состава и термообработки

Прямые аналоги для 7099 ограничены, поскольку сплав часто является фирменным или производится по авиационным требованиям с контролем микроэлементов и термомеханической обработки. При замене инженерам рекомендуется сравнивать полные таблицы химического состава и механических свойств, а не полагаться только на номинальное обозначение.

Коррозионная стойкость

В атмосферных условиях 7099 показывает лучшие показатели по сравнению с некоторыми высокоцинковыми сплавами в пиковом состоянии при условии применения соответствующего переотжига или защитных покрытий, однако в целом он уступает по коррозионной стойкости сплавам серии 5xxx и 3xxx. Поверхностная обработка, такая как хроматное лакокрасочное покрытие, анодирование и защитные краски, широко применяется для обеспечения долговечности при эксплуатации в агрессивной среде и для уменьшения локальной коррозии.

Морские условия — критично важный фактор; воздействие морской воды способствует pitting-коррозии и межкристаллитной коррозии в высокоцинковых и медьсодержащих сплавах без соответствующего переотжига (T73/T76), клэдирования или жертвенной защиты. Использование в зоне брызг или при длительном погружении требует тщательного выбора сплава, состояния термообработки, подготовки поверхности и при необходимости катодной защиты.

Напряженно-действующая коррозионная трещинообразование (SCC) — известный риск для высокопрочных сплавов серии 7xxx в пиковых состояниях, особенно при длительном растяжении в коррозионной среде. Варианты сплава, такие как 7099, разрабатываются с добавками микроэлементов и рекомендуемыми режимами термообработки (переотжигом) для снижения склонности к SCC, но проектировщикам следует учитывать гальваническую коррозио при сопряжении 7099 с более благородными материалами (нержавеющая сталь, титан), а также минимизировать зазоры и остаточные растягивающие напряжения.

Свойства при изготовлении

Свариваемость

Сварка 7099 представляет сложности в высокопрочных состояниях, поскольку зоны упрочнения осадочным твердением в зоне термического влияния (ЗТИ) и зоне шва подвержены значительному размягчению и потере механических свойств. TIG и MIG сварка возможны для локального ремонта или соединений, но обычно требуют после сварки термообработки (PWHT) или конструктивных решений для снижения концентраций напряжений. Рекомендуемые присадочные материалы обычно представляют собой менее прочные варианты сплавов серии 7xxx или специально разработанные присадки, которые балансируют прочность и трещиностойкость; однако для конструктивных соединений часто предпочтительнее использовать стыковую или контактную сварку, а также механические крепления во избежание деградации ЗТИ.

Обрабатываемость

Обрабатываемость 7099 в целом хорошая для высокопрочных алюминиевых сплавов: он обрабатывается легче, чем высокопрочные стали, способен обеспечить высокие скорости съёма материала, но геометрия инструмента и материал режущей части должны учитывать склонность сплава к наклёпу и наличие абразивных выделений. Карбидный инструмент с положительным углом передней поверхности, высокой подачей и умеренными скоростями обеспечивает оптимальный баланс; рекомендуется применять охлаждение и эвакуацию стружки для предотвращения образования задиров. Индекс обрабатываемости обычно ниже, чем у сплавов серии 6xxx, но приемлем для сложных прецизионных деталей при использовании современного инструмента.

Формуемость

Холодная пластическая деформация ограничена в пиковых состояниях; минимальные радиусы гиба больше, чем у сплавов 5xxx или 3xxx, а остаточная упругость значительна из-за высокого предела текучести. Лучшей практикой является формование в более мягких состояниях (O или T4/H), с последующим окончательным искусственным старением (T6) после обработки, если это возможно. Для сложных форм применяются методы растяжения, послойного формования и сверхпластичной деформации, а выбор состояния (например, серии H1x) способен улучшить сформуемость для задач с ограниченной деформацией.

Поведение при термообработке

Будучи теплотехнически упрочняемым сплавом, 7099 следует классической схеме растворения – закалки – старения. Технически растворение проводится близко к верхнему пределу диапазона твердых растворов (примерно 470–480 °C, зависит от состава), чтобы растворить фазовые выделения, с последующим быстрым охлаждением для сохранения пересыщенного твердого раствора. Искусственное старение проводится при промежуточных температурах (обычно 120–180 °C) в течение контролируемого времени для выделения мелких частиц η' и достижения пиковых параметров прочности (T6).

Переотжиг (варианты T7x) применяется для коагуляции выделений и снижения электрохимических потенциалов на границах зерен, улучшая устойчивость к SCC и отслаиванию ценой некоторого снижения предела прочности. Обозначение T651 указывает на снятие остаточных напряжений растяжением после закалки; такой режим востребован в аэрокосмической промышленности. Корректный контроль термообработки, скорость охлаждения и режимы старения критически важны для достижения требуемых механических и эксплуатационных характеристик.

Поведение без термического упрочнения в классическом понимании неприменимо к 7099, поскольку основным механизмом упрочнения является осадительное твердение; однако локальный отжиг (например, для формовки) и процессы наклёпа могут использоваться при производстве для достижения промежуточных свойств до окончательного старения.

Работа при повышенных температурах

Прочность 7099 снижается при повышении температуры выше комнатной, так как стабильность выделений чувствительна к температуре; длительная эксплуатация при температурах выше примерно 100–120 °C ведет к снижению предела текучести и временного сопротивления разрыву, а также ускоряет коагуляцию выделений. Кратковременное воздействие более высоких температур может привести к отжигу или переотжигу микроструктуры с изменением механических и антикоррозионных свойств.

Окисление алюминиевых сплавов при типичных рабочих температурах минимально по сравнению со сталями, но свойства поверхностного оксида и защитных покрытий должны учитываться в условиях термоупругой цикличности. Зона термического влияния в сварных соединениях может испытывать локальное размягчение и потерю вязкости при повышенных температурах, поэтому конструкция должна ограничивать локальный нагрев и учитывать изменения остаточных напряжений и микроструктуры.

Применение

Отрасль	Пример изделия	Почему используется 7099
Авиация	Усилители фюзеляжа, крепления крыла, структурные ковки	Высокая специфическая прочность и улучшенная стойкость к SCC в выбранных термообработках
Автомобильная промышленность	Высокопроизводительные элементы шасси, структурные элементы при авариях	Снижение массы при прочности, сравнимой с более низкокачественной сталью
Морская индустрия	Конструкционные элементы, кронштейны для подвесных моторов (с защитной обработкой)	Высокое отношение прочности к весу при наличии мер контроля коррозии
Оборона	Детали мелкокалиберного оружия, конструктивные элементы техники	Высокая прочность и вязкость для высоких эксплуатационных нагрузок
Спорт / отдых	Велосипедные рамы премиум-класса, гоночные компоненты	Отличное сочетание жёсткости и веса, а также усталостная прочность

7099 выбирают для деталей, в которых приоритетом являются очень высокая прочность и сопротивление разрушению, а также где возможно надёжно обеспечить производственный контроль параметров (термообработка, защитные покрытия). Его роль — быть материалом, обеспечивающим оптимальное соотношение массы и нагрузки при сложных конструкциях.

Рекомендации по выбору

Сплав 7099 следует выбирать, когда главными факторами проектирования являются снижение массы конструкции и высокая статическая и усталостная прочность, а также когда цепочка поставок способна контролировать состояние упрочнения и защиту поверхности. Он наиболее уместен в случаях, когда конструкция допускает ограниченную деформацию после окончательного старения или предусматривает постформовочное старение для достижения требуемой прочности.

По сравнению с промышленно чистым алюминием (например, 1100), 7099 обеспечивает значительно более высокую прочность при существенно сниженной пластичности и электропроводности, что позволяет повысить несущую способность конструкции на порядок; сплав 1100 следует использовать только когда необходимы отличные формуемость и электропроводность, а прочность не является критичной. По сравнению с упрочненными деформированием сплавами (например, 3003 / 5052), 7099 обладает существенно более высокой прочностью за счёт ухудшения формуемости и более простой коррозионной стойкости; сплавы 5052/3003 рекомендуются при приоритетных требованиях к формуемости и коррозионной стойкости в морской среде. По сравнению с распространёнными термически упрочняемыми сплавами (например, 6061 / 6063), 7099 обеспечивает значительно более высокую предельную прочность и лучшую стойкость к разрушению в пиковых состояниях упрочнения, что делает его предпочтительным при критических требованиях к относительной прочности и весу, однако 6061/6063 остаются более удобными для сварки и формования, а также часто имеют более низкую стоимость.

Заключение

Сплав 7099 сохраняет актуальность в современной инженерии в тех случаях, когда требуется сочетание очень высокой удельной прочности, контролируемой стойкости к разрушению и специально разработанной коррозионной стойкости к SCC, что позволяет создавать конструкции, невозможные с использованием алюминиевых сплавов более низкой прочности, при условии, что производство, отделка и контроль качества соответствуют чувствительности сплава к состоянию упрочнения.