Nhôm 7055: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt luyện & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

7055 là hợp kim nhôm dòng 7xxx, thuộc nhóm hợp kim Al-Zn-Mg-Cu cường độ cao, được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ. Hợp kim này được pha chế với hàm lượng kẽm và magie cao cùng với đồng và các nguyên tố vi hợp kim nhằm tăng cường độ bền kết tủa thông qua xử lý nhiệt thay vì làm cứng cơ học.

Các nguyên tố chính bao gồm kẽm (đóng vai trò chính trong tăng cường độ bền), magie và đồng (thúc đẩy sự hình thành các pha kết tủa MgZn2 và các pha kết tủa tăng cường khác), cùng vi hợp kim hóa với zirconium và/hoặc crom để kiểm soát cấu trúc hạt. Tăng cường độ bền được thực hiện bằng quá trình xử lý nhiệt dung dịch, làm nguội nhanh và lão hóa nhân tạo có kiểm soát để tạo ra các pha liên kim mịn, liên kết chặt chẽ mang lại giới hạn chảy và độ bền kéo cao.

Đặc tính nổi bật bao gồm cường độ tĩnh rất cao và độ dai va đập tốt đối với hợp kim dòng 7xxx, khả năng chống ăn mòn ở mức vừa phải có thể cải thiện bằng quá trình lão hóa quá mức và vi hợp kim hóa. Khả năng hàn hạn chế với phương pháp hàn nóng chảy truyền thống, tính dễ tạo hình trung bình đến kém ở các trạng thái lão hóa đỉnh, và tính gia công ở mức khá khi sử dụng dụng cụ cacbua cùng các thông số gia công tối ưu.

Các ngành công nghiệp tiêu biểu là cấu trúc chính và cấu trúc phụ trong hàng không vũ trụ, dụng cụ thể thao hiệu năng cao, và các thành phần cấu trúc chuyên dụng đòi hỏi trọng lượng nhẹ và độ bền cao. Các kỹ sư lựa chọn 7055 thay vì các hợp kim khác khi thiết kế yêu cầu cường độ riêng cao nhất kết hợp với độ dai hợp lý và cân bằng kiểm soát khả năng chống ăn mòn qua lựa chọn nhiệt độ tôi luyện phù hợp.

Biến thể nhiệt độ tôi luyện

Nhiệt độ tôi	Cấp độ bền	Độ dãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao (20–30%)	Tuyệt vời	Tuyệt vời	Ưa nhiệt hoàn toàn, tối ưu cho tạo hình và liên kết trước xử lý nhiệt
H14	Trung bình	Trung bình (10–18%)	Đạt	Kém (ở trạng thái HL)	Biến thể làm cứng ứng suất cho độ bền vừa phải và cải thiện tính ổn định hình dạng
T5	Trung bình-cao	Trung bình (8–15%)	Khá	Kém	Được làm nguội từ nhiệt độ cao và lão hóa nhân tạo; tùy chọn gia công nhanh
T6	Cao	Thấp (5–12%)	Hạn chế	Kém	Lão hóa nhân tạo đỉnh tối đa để tăng cường độ; giảm độ dẻo dai và khả năng tạo hình
T7 (ví dụ T76)	Trung bình-cao	Trung bình (8–14%)	Tốt hơn T6	Kém	Lão hóa quá mức/kiểm soát để cải thiện khả năng chống ăn mòn ứng suất SCC và ổn định kích thước
T7451 / T7452	Cao	Thấp-trung bình (6–12%)	Hạn chế	Kém	Biến thể giảm ứng suất và lão hóa nhân tạo tối ưu cho rèn và tấm hàng không

Nhiệt độ tôi luyện ảnh hưởng đáng kể đến sự cân bằng giữa cường độ, độ dẻo và khả năng chống ăn mòn. Vật liệu ủ (O) cho khả năng tạo hình tốt nhất và thường dùng để tạo hình phức tạp trước khi xử lý nhiệt kết tủa cuối cùng, trong khi T6 cung cấp độ bền tĩnh cao nhất nhưng đánh đổi bằng độ dãn dài và khả năng uốn thấp hơn.

Các biến thể lão hóa quá mức như T7 và nhiệt độ ổn định như T7451 được dùng để đánh đổi một chút cường độ đỉnh lấy khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất và ổn định kích thước trong quá trình sử dụng tốt hơn; những trạng thái này phổ biến với các thành phần kết cấu hàng không nơi độ bền lâu dài rất quan trọng.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	0.4 tối đa	Tạp chất; kiểm soát hành vi đúc và gia công
Fe	0.5 tối đa	Hình thành liên kim; dư thừa giảm độ dai
Mn	0.05–0.3	Nhỏ; hỗ trợ cấu trúc hạt khi có mặt
Mg	2.3–2.9	Phối hợp với Zn để tạo pha kết tủa tăng cường
Cu	1.9–2.6	Tăng cường độ bền và độ dai va đập; làm xấu SCC nếu không kiểm soát
Zn	7.3–8.4	Nguyên tố chính tăng cường cho hợp kim 7xxx
Cr	0.04–0.2	Kiểm soát cấu trúc hạt và ức chế tái kết tinh
Ti	0.02–0.12	Tinh chế hạt cho phôi đúc/rèn
Khác (Zr, vết)	0.08–0.25 (Zr điển hình)	Vi hợp kim kiểm soát phân tán và độ dai; cân bằng với Al

Hàm lượng kẽm cao kết hợp với magie và đồng tạo ra các pha kết tủa MgZn2 mịn và không bền nhiệt chịu trách nhiệm cho độ bền rất cao sau xử lý nhiệt dung dịch và lão hóa. Vi hợp kim với zirconium/crom kiểm soát quá trình tái kết tinh và kích thước hạt, cải thiện độ dai và cho phép sản xuất các tiết diện dày hơn với tính chất chấp nhận được. Tạp chất như sắt và silic được giữ ở mức thấp tránh tạo ra các pha liên kim thô làm giảm tuổi mỏi và khả năng tạo hình.

Tính chất cơ học

7055 thể hiện sự khác biệt rõ rệt giữa trạng thái ủ và trạng thái lão hóa đỉnh: ở nhiệt độ ủ (O) vật liệu dẻo và dễ tạo hình, trong khi các trạng thái T6/T7451 đạt được một trong những giới hạn bền kéo và giới hạn chảy cao nhất trong các hợp kim nhôm cán. Giới hạn chảy và bền kéo tăng mạnh trong quá trình lão hóa nhân tạo khi các pha kết tủa liên kết bắt đầu kết tinh và phát triển; tuy nhiên, độ dãn dài và độ dai va đập lại giảm so với cường độ đỉnh. Đặc tính mỏi bị ảnh hưởng mạnh bởi cấu trúc vi mô, làm nguội lạnh, và điều kiện bề mặt, với các hạt liên kim nhỏ hoặc tổn thương trong gia công có thể là điểm khởi phát nứt.

Độ dày và tốc độ làm nguội cũng ảnh hưởng rõ rệt đến đáp ứng cơ học; các tiết diện dày có nguy cơ xuất hiện vùng mềm còn sót lại và đòi hỏi vi hợp kim hoá cùng kiểm soát quá trình để duy trì tính đồng nhất. Độ cứng tương quan chặt chẽ với tính chất kéo và thường giảm ở vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn hoặc sau quá trình lão hóa quá mức. Nhà thiết kế phải cân nhắc lựa chọn nhiệt độ tôi, hình dạng chi tiết và các bước xử lý sau để đạt được hiệu suất tĩnh và chu kỳ yêu cầu.

Tính chất	Trạng thái O/ủ	Nhiệt độ chủ đạo (T6 / T7451)	Ghi chú
Giới hạn bền kéo	220–280 MPa	540–640 MPa	Độ bền đỉnh phụ thuộc độ dày tiết diện và các nhiệt độ chính xác; các giá trị điển hình cho tấm/cán
Giới hạn chảy	100–170 MPa	470–580 MPa	Giới hạn chảy cao ở trạng thái lão hóa đỉnh làm 7055 hấp dẫn cho các chi tiết chịu ứng suất cao
Độ dãn dài	20–30%	6–12%	Độ dẻo giảm khi cường độ và mức độ lão hóa tăng
Độ cứng	40–70 HB	140–180 HB	Độ cứng Brinell tăng cùng với kết tủa; giảm cứng vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn nóng chảy

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	~2.81 g/cm³	Điển hình cho hợp kim nhôm cường độ cao; góp phần tỷ số bền trên trọng lượng xuất sắc
Phạm vi nhiệt nóng chảy	Solidus ~475–500°C; Liquidus lên đến ~640–650°C	Hợp kim làm giảm khoảng nhiệt nóng chảy so với nhôm tinh khiết; tham khảo dữ liệu nhà cung cấp để biết giá trị chính xác
Độ dẫn nhiệt	~120–140 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết nhưng chấp nhận được cho nhiều ứng dụng kết cấu và quản lý nhiệt
Độ dẫn điện	~30–36 %IACS	Giảm đáng kể so với nhôm tinh khiết do các thành phần hợp kim
Nhiệt dung riêng	~0.96 J/g·K (960 J/kg·K)	Giá trị điển hình của nhôm; ảnh hưởng đến sự hấp thụ nhiệt và quá trình làm nguội
Hệ số giãn nở nhiệt	~23–24 ×10⁻⁶ K⁻¹	Gần giống các hợp kim nhôm khác; cần lưu ý trong các cụm lắp ghép nhiều vật liệu

Mật độ và tính chất nhiệt làm cho 7055 có tỷ lệ độ bền trên trọng lượng hấp dẫn và khả năng quản lý nhiệt hợp lý cho các bộ phận kết cấu. Độ dẫn nhiệt và dẫn điện giảm so với nhôm tinh khiết và các dòng hợp kim có hàm lượng thấp hơn, vì vậy nhà thiết kế không nên chọn 7055 cho các ứng dụng tản nhiệt chính nếu chưa xác nhận yêu cầu nhiệt.

Nhiệt dung riêng và hệ số giãn nở ảnh hưởng đến lịch trình xử lý nhiệt và kiểm soát kích thước; làm nguội nhanh từ nhiệt độ dung dịch yêu cầu giải nhiệt nhanh để phát triển trạng thái kết tủa mong muốn, và các gradient nhiệt còn lại có thể gây biến dạng đối với các chi tiết phức tạp.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Chiều Dày/Kích Thước Điển Hình	Hành Vi Cơ Lực	Độ Tôi Phổ Biến	Ghi Chú
Tấm	0.5–6 mm	Phản ứng tốt với quá trình lão hóa; các phần mỏng đạt đỉnh độ cứng/độ bền đồng đều hơn	O, T6, T7451	Dùng cho các tấm vỏ, thành phần gia cố sau khi lão hóa
Tấm dày	>6 mm đến ~200 mm	Phần dày cần hợp kim vi lượng và quá trình làm nguội tùy chỉnh để tránh lõi mềm	T6, T7451, T7	Phôi rèn hàng không và chi tiết kết cấu gia công thường sử dụng tấm dày
Đùn	Tiết diện phức tạp, chiều dài thay đổi	Tính chất tùy thuộc tỷ số đùn và xử lý nhiệt sau đó	O, T6	Biên dạng đùn cho phép gia cố tích hợp nhưng cần quá trình lão hóa chính xác
Ống	Đường kính ngoài/đường kính trong theo tiêu chuẩn; thành mỏng đến dày	Hình dạng ảnh hưởng đến tính đồng nhất làm nguội và biến đổi thuộc tính cơ học	O, T6	Dùng cho ống kết cấu chịu lực cao, nơi yêu cầu tiết kiệm trọng lượng
Thanh/Thỏi	Đường kính đến kích thước phôi rèn	Dễ gia công ở nhiều độ tôi khác nhau; thanh rèn cung cấp nguyên liệu cho chi tiết lớn	O, T6, T7451	Dùng cho các chi tiết nối, chốt và chi tiết kết cấu gia công

Khác biệt trong quy trình chế tác (lăn, rèn, đùn) làm thay đổi cấu trúc vi mô ban đầu cũng như phản ứng của hợp kim với bước xử lý dung dịch và lão hóa. Tấm và đùn mỏng làm nguội nhanh, đạt kết tủa đồng đều, trong khi tấm dày cần làm nguội có kiểm soát, hợp kim vi lượng (Zr/Cr), hoặc tôi luyện trong lò để tránh vùng lõi mềm. Việc lựa chọn dạng sản phẩm dựa trên dung sai đạt được, gradient cơ học yêu cầu và các bước gia công hoặc tạo hình tiếp theo.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi Chú
AA	7055	Hoa Kỳ	Định danh UNS phổ biến A97055 cho sản phẩm rèn 7055
EN AW	7055	Châu Âu	EN AW-7055 thường dùng nhưng giới hạn hóa học và mã độ tôi có thể khác biệt nhẹ
JIS	A97055 / Tương đương	Nhật Bản	Tiêu chuẩn địa phương thường liệt kê thành phần tương đương thay vì định danh giống hệt
GB/T	7055	Trung Quốc	Các mác Trung Quốc cơ bản theo thành phần tương tự nhưng quy trình và dung sai có thể khác

Nhãn mác tương đương thay đổi theo tổ chức tiêu chuẩn và đôi khi theo quá trình nhà cung cấp; thành phần hóa học tương tự nhưng dung sai, tạp chất cho phép và giá trị cơ học định rõ có thể khác nhau. Người dùng cần kiểm tra kỹ chứng nhận lô hàng, mã độ tôi và tiêu chuẩn áp dụng (ví dụ AMS, ASTM, EN) đặc biệt với chi tiết hàng không hoặc chi tiết chịu mỏi.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

7055, thuộc dòng hợp kim 7xxx, nhạy cảm hơn với ăn mòn cục bộ và nứt ăn mòn căng thẳng (SCC) so với các dòng 5xxx và 6xxx trong trạng thái tự lão hoặc lão đạt đỉnh. Quá trình quá lão hóa và lựa chọn độ tôi như T7, kèm hợp kim vi lượng như Zr, thường được áp dụng để cải thiện khả năng chống SCC và ổn định cấu trúc kết tủa tại hạt nhằm phục vụ lâu dài trong môi trường ăn mòn cao.

Trong môi trường khí quyển và môi trường biển nhẹ, 7055 quá lão và phủ bề mặt phù hợp có hiệu năng chấp nhận được; tuy nhiên, ngâm nước mặn trực tiếp hoặc vùng nước bắn yêu cầu các biện pháp bảo vệ chống ăn mòn như anode hóa, phủ chuyển đổi, và chất bịt kín. Tương tác điện hóa galvanic là vấn đề khi ghép 7055 với kim loại khác loại; lớp anode hóa và biện pháp cách ly khuyến cáo để ngăn ngừa ăn mòn cục bộ tăng tốc.

So với hợp kim 6xxx (ví dụ 6061), 7055 có độ bền cao hơn nhưng khả năng chống ăn mòn vốn có thấp hơn, cần bổ sung xử lý bề mặt hoặc lựa chọn độ tôi thích hợp. So với 7075, 7055 thường được điều chỉnh cho cân bằng tốt hơn giữa độ dai vỡ và khả năng chống SCC, nhưng cả hai dòng đều cần biện pháp chống ăn mòn thận trọng trong ứng dụng biển hoặc độ ẩm cao.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

Hàn nóng chảy truyền thống trên 7055 thường gây mất mát đáng kể tính chất cơ học vùng chảy và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ) do cấu trúc kết tủa bị phá hủy và tái kết tủa khó hồi phục hoàn toàn bằng nhiệt cục bộ. Hàn khuấy ma sát là phương pháp nối ưu tiên cho ứng dụng kết cấu, tạo cấu trúc vi hạt tinh vững và giữ lại độ bền tốt khi có xử lý lão hóa sau hàn. Khi bắt buộc phải hàn nóng chảy, cần xử lý nhiệt sau hàn kỹ càng và chiến lược mối hàn hoặc mối ghép thích hợp; tuy nhiên nhiều tiêu chuẩn hàng không tránh dùng hàn nóng chảy cho chi tiết 7055 quan trọng.

Khả năng gia công

Khả năng gia công của 7055 ở mức trung bình; hợp kim dễ gia công hơn các hợp kim đồng cao nhưng kém hơn so với các hợp kim dòng 6xxx có tính dẻo cao hơn. Dùng dụng cụ cacbua với bố trí cố định chắc chắn và góc cắt dương cao được khuyến nghị, cùng với làm mát áp lực cao để kiểm soát tạo phoi và nhiệt. Hình thái phoi thường là ngắn đoạn hoặc dài liên tục tùy tốc độ ăn dao và độ tôi; tối ưu hóa thông số gia công giúp giảm mòn dao và cải thiện bề mặt cho chi tiết chịu ứng suất mỏi.

Khả năng tạo hình

Gia công tạo hình tốt nhất trong trạng thái ủ mềm (O) hoặc ít làm cứng biến dạng; độ tôi đỉnh như T6 có tính dẻo hạn chế và dễ nứt khi uốn hoặc kéo giãn. Bán kính uốn tối thiểu thường lớn hơn các hợp kim 5xxx/6xxx; quy tắc kinh nghiệm là bán kính uốn trong tối thiểu 3–4 lần chiều dày cho vật liệu ủ, tăng lên với độ tôi cao. Gia công nhiệt và xử lý dung dịch/lão hóa sau đó có thể dùng để tạo hình phức tạp mà vẫn giữ được tính chất cuối cao.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

7055 là hợp kim có thể xử lý nhiệt theo chu trình điển hình: xử lý dung dịch ở nhiệt độ khoảng 470–485°C để hòa tan các pha hòa tan, tiếp theo làm nguội nhanh giữ dung dịch bão hòa quá mức. Lão hóa nhân tạo (ví dụ T6: ~120–130°C trong vài giờ) tạo kết tủa Mg-Zn tinh mịn đem lại độ bền đỉnh cao. Quá trình quá lão (các biến thể T7) ở nhiệt độ cao hơn hoặc thời gian dài hơn làm kết tủa coarsen giúp cải thiện khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất và độ dai với chi phí độ bền nhẹ.

Chuyển đổi độ tôi như T6 → T7 được dùng nhằm mục đích nâng cao hiệu năng làm việc dài hạn; các độ tôi ổn định như T7451 bao gồm bước giảm ứng suất và kiểm soát lão hóa đáp ứng yêu cầu ổn định kích thước và độ dai vỡ cho phôi rèn và tấm dày hàng không. Thời gian ngâm, môi trường làm nguội và chu trình lão hóa phải điều chỉnh phù hợp với kích thước tiết diện và cấu trúc vi mô mong muốn, thường được quy định trong tiêu chuẩn cấp nhà cung cấp và ngành nghề.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

7055 mất đáng kể độ bền khi nhiệt độ tăng; trên khoảng 120–150°C cấu trúc kết tủa giữ đỉnh bắt đầu to và tính chất suy giảm. Tiếp xúc dài hạn trên ~150°C thúc đẩy quá trình quá lão nhanh hơn và nên tránh dùng cho các cấu kiện yêu cầu độ bền tĩnh cao. Quá trình oxy hóa mức độ vừa phải, đặc trưng cho hợp kim nhôm; lớp phủ bảo vệ hoặc anode hóa có thể giảm thiểu oxy hóa bề mặt khi làm việc ở nhiệt độ cao.

Khu vực bị ảnh hưởng nhiệt sau hàn cho thấy giảm độ bền cục bộ và cấu trúc vi mô thay đổi, rất nhạy với nhiệt độ dịch vụ tăng. Với ứng dụng nhiệt cao hoặc dễ creep, kỹ sư thường chọn hợp kim khác ổn định nhiệt hơn thay vì 7055.

Ứng Dụng

Ngành Công Nghiệp	Ví Dụ Chi Tiết	Lý Do Dùng 7055
Hàng Không	Tấm vỏ cánh, thanh gia cố thân máy bay, chi tiết chân máy	Độ bền trên trọng lượng rất cao và độ dai vỡ tốt cho kết cấu chính/phụ
Hàng Hải	Phụ kiện thân tàu hiệu suất cao và cột buồm	Độ bền riêng cao kết hợp biện pháp chống ăn mòn phù hợp
Ô tô / Đua xe	Phụ kiện chịu va chạm kết cấu, khung bảo vệ (đặc thù)	Giảm trọng lượng và độ bền tĩnh cao cho chi tiết hiệu suất
Đồ Thể Thao	Khung xe đạp cao cấp, khung vợt	Độ cứng/trọng lượng xuất sắc và hiệu năng mỏi khi xử lý đúng cách
Điện tử / Tản nhiệt	Khung tản nhiệt kết cấu	Độ dẫn nhiệt tốt so với yêu cầu độ bền riêng

7055 được ưa chuộng khi thiết kế yêu cầu độ bền tĩnh và độ cứng xuất sắc với trọng lượng tối thiểu, cùng độ dai và tuổi thọ mỏi đủ cho ứng dụng an toàn quan trọng. Nó thường giới hạn trong các ứng dụng có kiểm soát sản xuất và bảo vệ chống ăn mòn nghiêm ngặt.

Gợi Ý Lựa Chọn

7055 được chọn khi cần độ bền riêng tối đa và độ dai vỡ tốt đồng thời chuỗi sản xuất có thể hỗ trợ xử lý nhiệt chính xác, phủ bảo vệ và kiểm soát tạo hình hoặc nối mối. Hợp kim này thích hợp nhất cho kết cấu hàng không và sản phẩm hiệu suất cao hơn là ứng dụng phổ thông hoặc giá rẻ.

So với nhôm thương mại tinh khiết (1100), 7055 đổi lại khả năng chịu lực cao hơn nhiều với độ dẫn điện/nhiệt thấp hơn và khả năng tạo hình giảm; chọn 7055 khi yêu cầu về độ bền kết cấu ưu tiên hơn tính dẫn điện hoặc dễ gia công. So với các hợp kim đã làm cứng bằng biến dạng như 3003/5052, 7055 có độ bền cao hơn nhiều nhưng khả năng tạo hình kém hơn và nhạy cảm hơn với ăn mòn; hợp kim này phù hợp khi độ bền được đánh giá cao hơn so với sự đơn giản trong gia công và chi phí. So với các hợp kim loạt 6xxx có thể xử lý nhiệt như 6061, 7055 mang lại độ bền cực đại cao hơn đáng kể và thường có độ dai va đập tốt hơn cho các ứng dụng hàng không vũ trụ, nhưng đánh đổi bằng khả năng hàn kém và độ chống ăn mòn nội tại thấp hơn; lựa chọn 7055 khi tỉ số độ bền/trọng lượng cao nhất là yếu tố thiết yếu và các hạn chế về chế tạo có thể được kiểm soát.

Tóm tắt cuối cùng

7055 vẫn là một trong những hợp kim nhôm rèn hàng đầu cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền riêng cực đại và độ dai cân bằng, đặc biệt trong lĩnh vực hàng không vũ trụ và kết cấu hiệu suất cao. Hiệu quả sử dụng của nó phụ thuộc vào việc lựa chọn trạng thái tôi luyện phù hợp, quy trình kiểm soát chặt chẽ và bảo vệ chống ăn mòn thích hợp để tận dụng trọn vẹn cấu trúc vi mô thiết kế và khả năng cơ học của hợp kim.