Алюминий 7150: состав, свойства, руководство по состояниям и области применения

Комплексный обзор

7150 — это алюминиевый сплав серии 7xxx, относящийся к высокопрочным сплавам Al‑Zn‑Mg‑Cu, широко используемый в авиационных конструкциях. Основным легирующим элементом является цинк, с заметным содержанием магния и меди, а также небольшими добавками циркония для контроля структуры зерна и повышения сопротивляемости рекристаллизации.

Сплав поддаётся термической обработке и в основном упрочняется за счёт растворяющей закалки с последующим искусственным старением, что формирует плотное распределение метастабильных η′-фаз и сопутствующих выделений. Механизм упрочнения за счёт выделений обеспечивает очень высокие пределы текучести и временного сопротивления разрыву по сравнению со сплавами серий 1xxx–6xxx, при этом сохраняя разумную вязкость при обработке с учётом сопротивляемости разрушению.

Ключевые характеристики 7150 включают очень высокое соотношение прочности к весу, хорошую стойкость к усталостному росту трещин при правильном переразмягчении или термомеханической обработке, а также умеренную коррозионную стойкость, которую можно улучшить за счёт переразмягчения и облицовки. Свариваемость и формуемость ограничены в состояниях максимального упрочнения, поэтому в проектировании и производстве часто приходится жертвовать формуемостью ради прочности и стойкости к разрушению.

Типичные сферы применения: основные и второстепенные конструкции в авиации, высокопроизводительные оборонные компоненты, а также избранные высокопрочные промышленные применения, где критичны снижение массы и устойчивость к повреждениям. Инженеры выбирают 7150 там, где сочетание высокой статической прочности, усталостных характеристик и приемлемой вязкости важнее сниженной свариваемости и более высокой стоимости материала по сравнению с более распространёнными сплавами.

Варианты термообработки

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкая	Высокое (20–30%)	Отличная	Средняя	Полностью отожжённое для максимальной пластичности и формуемости; редко используется для конструкционных поковок
T6	Очень высокая	Низкое–среднее (8–12%)	Ограниченная	Плохая	Максимальное упрочнение за счёт искусственного старения; распространено для конструкционных деталей, где формовка производится до старения
T651	Очень высокая	Низкое–среднее (8–12%)	Ограниченная	Плохая	T6 с дополнительным снятием напряжений растяжением; используется для прецизионных компонентов для снижения остаточных напряжений
T73	Высокая	Среднее (10–14%)	Ограниченная	Плохая–Средняя	Переразмягчённое состояние для повышения сопротивления коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC), с потерей пиковых прочностных характеристик
T76 / T7451 / T7751	Средняя–высокая	Среднее (10–15%)	Ограниченная	Плохая–Средняя	Разработано для балансировки устойчивости к SCC, вязкости разрушения и контроля остаточных напряжений для критически важных применений в авиастроении

Состояние заметно сдвигает баланс прочности, вязкости и коррозионной стойкости сплава 7150. Максимально упрочнённые состояния T6/T651 обеспечивают максимальные статические прочности, но повышают чувствительность к коррозионному растрескиванию под напряжением и снижают пластичность, тогда как переразмягчённые состояния, такие как T73, жертвуют частью прочности ради значительно улучшенной устойчивости к SCC и обычно немного более высокой пластичности.

Выбор термообработки определяется технологической последовательностью и областью применения: крупные формы формуют в состоянии O или холодной обработки, затем при возможности подвергают растворяющей закалке и старению, либо выбирают переразмягчённые состояния для деталей, эксплуатируемых в агрессивных средах или требующих повышенной вязкости разрушения.

Химический состав

Элемент	Диапазон, %	Примечания
Si	≤ 0.12	Контролируемое низкое содержание кремния для снижения образования интерметаллических фаз и сохранения вязкости разрушения
Fe	≤ 0.12	Ограничение примесей; повышенное содержание железа способствует образованию хрупких интерметаллидов и снижает вязкость
Mn	≤ 0.05	Минимальное количество; не является основным элементом упрочнения в данном сплаве
Mg	2.3–2.9	Основной элемент для образования выделений η′ совместно с цинком, обеспечивающий высокую прочность
Cu	2.3–3.1	Повышает прочность и твёрдость, улучшает усталостные свойства, но может увеличивать чувствительность к коррозионному растрескиванию под напряжением
Zn	6.3–7.5	Основной легирующий элемент, стимулирующий максимальную прочность за счёт выделений фаз η/η′
Cr	≤ 0.04	Содержание следовое; иногда присутствует для модификации поведения границ зерен
Ti	≤ 0.08	Восстановитель кислорода и раскислитель, а также усреднитель зерна при литье и обработке слитков
Другие (Zr, V и др.)	Zr 0.08–0.20; остальные — следы	Добавки циркония специально введены для формирования дисперсных фаз, контролирующих рекристаллизацию, улучшения структуры зерна и вязкости разрушения

Каждый элемент выполняет точную функцию: Zn и Mg формируют выделения η′, отвечающие за высокую прочность сплава; Cu модифицирует состав и кинетику выделений, улучшая прочность и усталостную стойкость, но увеличивая риск SCC; Zr и следовые элементы контролируют размер зерна и процессы рекристаллизации при термомеханической обработке и закалке, повышая стойкость к повреждениям и позволяя сохранить свойства в более толстых сечениях.

Механические свойства

7150 характеризуется очень высокими значениями временного сопротивления разрыву и предела текучести в соответствующих состояниях термообработки, сочетающимися с хорошей вязкостью разрушения и сопротивлением усталостному росту трещин при оптимизации процесса для минимизации крупных выделений на границах зерен. Поведение при текучести обычно линейно-упругое до предела текучести с ограниченной площадкой текучести; сплав проявляет разумное упрочнение до разрушения, однако однородное удлинение в состояниях максимального упрочнения снижается.

Относительное удлинение до разрушения сильно зависит от состояния термообработки и формы изделия; отожжённые и переразмягчённые состояния обеспечивают лучшую пластичность, тогда как пластины и поковки в состоянии пикового старения имеют меньшую пластичность и могут быть склонны к хрупкому разрушению при высоких ограничениях. Твёрдость коррелирует с прочностными характеристиками и часто используется для производственного контроля состояния; распределение твёрдости по толщине толстых изделий может указывать на эффективность закалки.

Толщина и чувствительность к закалке значительно влияют на градиенты механических свойств: плоские листы и толстые экструзии чаще демонстрируют снижение характеристик в средних слоях из-за замедления скорости охлаждения, если не оптимизированы рафинирование зерна и дисперсные фазы циркония. Усталостные характеристики выигрывают от мелких и равномерных выделений и контролируемых остаточных напряжений, достигаемых в состояниях типа T651/T7451.

Свойство	Отожжённое (O)	Ключевое состояние (T6 / T651)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	170–260 MPa	540–590 MPa	Значения для T6/T651 типичны для качественно обработанных деформированных продуктов; снижаются с увеличением толщины и при переразмягчении
Предел текучести	60–130 MPa	480–520 MPa	Высокие пределы текучести делают 7150 подходящим для сильно нагруженных конструкционных деталей
Относительное удлинение	20–30%	8–12%	Пластичность значительно уменьшается в состояниях максимального упрочнения; переразмягчение немного повышает пластичность
Твёрдость (HB)	40–80 HB	150–175 HB	Твёрдость коррелирует с прочностью и полезна для входного контроля и подтверждения термообработки

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.81 г/см³	Типичная для высокопрочных сплавов Al‑Zn‑Mg‑Cu; благоприятна для конструкций с ограничением массы
Температура плавления	Солидус ≈ 477 °C; Ликвидус ≈ 635 °C	Легирование расширяет диапазон плавления по сравнению с чистым алюминием
Теплопроводность	≈ 120–150 Вт/(м·К)	Снижена по сравнению с чистым алюминием из-за легирования; достаточна для большинства конструктивных применений, но не оптимальна для высокоэффективных систем отвода тепла
Электропроводность	≈ 30–40 % IACS	Значительно ниже по сравнению с чистым алюминием из-за примесей
Удельная теплоёмкость	≈ 0.88–0.92 Дж/г·К (880–920 Дж/кг·К)	Типичная для алюминиевых материалов, полезна для расчёта тепловых масс
Коэффициент теплового расширения	≈ 23.0–24.0 ×10⁻⁶ /К	Схож с другими деформированными алюминиевыми сплавами; важен при конструировании соединений с разнородными материалами

Физические характеристики отражают область эксплуатации сплава: относительно низкая плотность обеспечивают отличное удельное сопротивление, но легирование снижает тепловую и электрическую проводимости по сравнению с чистым алюминием и некоторыми сплавами серий 5xxx и 6xxx. Тепловое расширение необходимо учитывать в гетерогенных сборках, так как различия в расширении вызывают усталостные и напряжённые концентрации.

Тепловые свойства и диапазон плавления определяют режимы термообработки, подбор сред закалки и температуры инструментов; теплопроводность также влияет на локальный нагрев при обработке и сварке.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение прочности	Типичные температуры закалки и старения	Примечания
Лист	0.5–6.0 мм	Подвержен локальному размягчению при неправильном искусственном старении	T6, T651, T73	Часто используется в обшивке и усиленных панелях для аэрокосмической отрасли; формовка обычно проводится до финального старения
Плита	>6 мм до 150 мм	Чувствительность к закалке увеличивается с толщиной; возможна зона размягчения в средней части толщины	T6, T651, T73	Толстые плиты требуют контролируемой обработки и сплавов с содержанием Zr для сохранения свойств
Экструзия	Сечения от малых до крупных профилей	Свойства могут варьироваться в зависимости от толщины сечения и режима закалки	T6, T651, T76	Экструзии выигрывают от быстрого охлаждения и дисперсных частиц Zr для обеспечения однородности свойств
Труба	Ø от нескольких мм до крупных диаметров	Толщина стенки контролирует градиенты охлаждения и механических свойств	T6, T73	Применяется для аэрокосмических труб и несущих конструкций с жёстким контролем качества
Пруток/штанга	Диаметр / площадь сечения зависит от изделия	История ковки и прокатки влияет на прочность и вязкость	T6, T651	Прутки для высоконагруженных соединений и механической обработки; критичны режимы предварительного нагрева и закалки

Форма влияет не только на доступные размеры, но и на достижимые свойства вследствие кинетики закалки и термомеханической истории. Листы и тонкие экструзии легче достигают заданных прочностей T6, тогда как плиты и толстые поковки требуют специализированной термомеханической обработки и контроля дисперсных частиц (например, Zr), чтобы предотвратить размягчение в средней части и сохранить стойкость к разрушению.

Проектировщикам следует координировать последовательности формовки, снятие напряжений и финальное старение; формование обычно проводят до окончательной растворяющей термообработки и старения, если это возможно, а припуски на механическую обработку должны учитывать возможность локального нагрева и контроля поверхностного состояния.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	7150	США	Обозначение по Aluminum Association для деформируемого сплава; широко используется в аэрокосмической отрасли
EN AW	7xxx-серия (нет прямого однозначного номера)	Европа	Отсутствует точный прямой эквивалент по EN; необходимо указывать химию и состояние по AMS/EN
JIS	A7xxx (приблизительно)	Япония	Японские стандарты ссылаются на сплавы семейства 7000; соответствие требует совпадения химии и состояния
GB/T	7A50 (приблизительно)	Китай	Китайские сплавы серии 7A5x геномически схожи; прямая замена требует проверки по спецификации

Идеального соответствия нет, поскольку региональные стандарты по-разному регламентируют химию, остаточные ограничения и допустимые состояния. Для ответственных аэрокосмических компонентов инженерам необходимо учитывать диапазоны химического состава, режимы термообработки (включая скорости закалки и деформацию) и критерии контроля качества, а не полагаться только на номинальные обозначения марок.

При международных закупках требуйте от поставщиков сертификаты с точным составом, значениями предела текучести/временного сопротивления разрыву в поставляемом состоянии и описанием термообработки и любых мероприятий по снятию внутренних напряжений для гарантии эквивалентности по эксплуатационным характеристикам и поведению при разрушении.

Коррозионная стойкость

7150 демонстрирует умеренную атмосферную коррозионную стойкость по сравнению с более благородными алюминиево-магниевыми сплавами; в типичном состоянии обработки может работать адекватно с покрытием или преобразовательными слоями. В морских или сильно хлорсодержащих средах он более подвержен точечной и межкристаллитной коррозии, чем сплавы 5xxx или некоторые 6xxx, если не выдержан дополнительный режим старения или не нанесено облицовочное покрытие.

Расслаивающая коррозионная трещина (SCC) является ключевой проблемой для высокопрочных сплавов серии 7xxx. Состояния пикового старения T6/T651 обеспечивают максимальную прочность, но и максимальную чувствительность к SCC; типичной мерой для ответственных конструкций является перевыдерживание до T73 или выбор состояний, разработанных для сопротивления SCC (например, семейство T76).

Гальваническая коррозия должна учитываться при контакте 7150 с более благородными катодными материалами (нержавеющая сталь, титан): алюминий будет корродировать предпочтительно, если не обеспечить электроизоляцию или надёжное покрытие. По сравнению с 6xxx-серией (например, 6061) 7150 предлагает повышенную прочность и усталостную живучесть в обмен на сниженную изначальную коррозионную стойкость и повышенную чувствительность к трещинообразованию без защитных мер.

Свойства обработки

Свариваемость

Сварка 7150 сопряжена с трудностями: дуговая сварка (TIG/MIG) вызывает сильное снижение прочности в зоне термического влияния (ЗТВ) и обычно не рекомендуется для основных несущих узлов. При необходимости сварки следует осторожно подбирать присадочные материалы и режимы последующей растворяющей термообработки и старения, однако полное восстановление механических свойств основного металла локальной сваркой в целом недостижимо.

Преимуществом являются методы твердосостояния, такие как сварка трением с перемешиванием (FSW), которые ограничивают расплавление и лучше сохраняют термообработанное состояние сплава, хотя размягчение в ЗТВ все равно присутствует. Распространённые алюминиевые присадочные сплавы (например, 4043, 5356) не восстанавливают исходные свойства и вносят гальванические соображения и изменение электрохимического поведения.

Обрабатываемость резанием

Будучи высокопрочным Al-Zn-Mg-Cu сплавом, 7150 обладает хорошей обрабатываемостью по сравнению со сталями, но более требовательной, чем распространённые сплавы 6xxx или 5xxx из-за высокой прочности и вязкости. Инструмент должен иметь твердосплавные пластины с положительным углом режущей кромки и использовать высокую подачу во избежание срыва резания; скорости резания обычно варьируют от 200 до 600 м/мин в зависимости от операции и применения СОЖ.

Контроль стружки хороший при правильной геометрии инструмента и использовании СОЖ; при этом упрочнение при обработке не значимо, в отличие от некоторых нержавеющих сталей. Следует контролировать состояние поверхности и износ инструмента, поскольку высокая твёрдость пиково-стареного сплава ускоряет абразивный износ.

Формуемость

Формование лучше проводить в более мягких состояниях или до окончательного старения, поскольку состояния T6/T651 характеризуются ограниченной пластичностью и упругой отдачей. Минимальные радиусы гиба в пиково-стареном состоянии увеличены; типичные радиусы для обработанных и формованных конструктивных элементов рекомендуется задавать с запасом (например, >2–3× толщина для плотных гибов в более прочных состояниях).

Холодная формовка с последующей растворяющей и искусственной термообработкой – распространённый способ достижения финальной геометрии и свойств; горячая формовка и суперпластическая формовка применяются редко из-за чувствительности к закалке и поведения упрочнительных фаз, определяющих конечные свойства.

Поведение при термообработке

Растворяющая термообработка 7150 обычно проводится при температуре 470–500 °C для растворения легирующих элементов в пересыщенном твердом растворе при избегании начал плавления низкотемпературных включений. Быстрое закаливание до комнатной температуры (или ниже) необходимо для сохранения пересыщенного состояния; контроль скорости охлаждения особенно важен для толстых сечений, чтобы избежать зон размягчения в середине толщины.

Искусственное старение проводится после закалки. Типичные циклы старения T6 используют промежуточные температуры (например, 120