Nhôm 7085: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt xử lý & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

7085 là hợp kim nhôm cường độ cao thuộc nhóm 7xxx, chủ yếu là các hợp kim chứa Zn–Mg–Cu được tối ưu hóa cho ứng dụng kết cấu hàng không vũ trụ. Hợp kim này nhấn mạnh vào giới hạn chảy và bền kéo cao với thành phần hóa học được điều chỉnh để cân bằng giữa độ bền, độ dai va đập và khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất so với các hợp kim 7xxx truyền thống.

Các thành phần hợp kim chính là kẽm đóng vai trò tăng cường chính, magiê tạo ra các pha MgZn2 làm tăng độ cứng ngấm, và đồng nâng cao độ bền ngay sau tôi và làm thay đổi động học tạo già. Các bổ sung nhỏ như zirconium, chromium hoặc titanium thường được dùng để kiểm soát cấu trúc hạt, ức chế tái kết tinh và tinh chế cấu trúc tái kết tinh trong tấm dày hoặc thanh đùn.

7085 là hợp kim có thể xử lý nhiệt với độ bền đạt cực đại nhờ giải pháp nhiệt, tôi và già nhân tạo để tạo các pha kết tủa dày đặc giàu Mg–Zn có tính kết hợp cao. Các đặc tính chính bao gồm độ bền tĩnh rất cao và độ dai va đập tốt so với mức độ bền, khả năng hàn trung bình tới kém với phương pháp hàn hợp nhất thông thường, và giới hạn về khả năng tạo hình ở trạng thái tôi đạt cực đại nhưng hiệu suất vượt trội ở trạng thái tôi quá già.

Các ngành sử dụng điển hình bao gồm kết cấu chính và kết cấu phụ trong ngành hàng không vũ trụ, các chi tiết hiệu suất cao trong quốc phòng và các lĩnh vực khác đòi hỏi tỷ số bền trên trọng lượng và khả năng chịu hư hỏng. Kỹ sư thường lựa chọn 7085 thay cho các hợp kim khác khi cần tổ hợp độ bền dày, khả năng chống khởi phát nứt được cải thiện và các dạng sản phẩm được chứng nhận cho hàng không, thường ưu tiên 7085 khi 7075 hoặc 7050 không đáp ứng yêu cầu về độ dai hoặc hiệu suất chống nứt ăn mòn ứng suất trên tấm lớn.

Các Loại Độ Tôi (Temper)

Độ Tôi	Mức Độ Bền	Độ Dãn	Khả Năng Tạo Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Ủ hoàn toàn, độ dẻo tối đa cho tạo hình nguội
H111	Thấp–Trung bình	Trung bình	Tốt	Trung bình	Làm cứng một phần do biến dạng, hạn chế tạo hình cho các góc uốn nhỏ
T5	Trung bình–Cao	Trung bình	Trung bình	Kém	Làm lạnh từ nhiệt độ cao và già nhân tạo
T6	Cao	Thấp–Trung bình	Kém	Kém	Già tới đỉnh để đạt độ bền tối đa; dùng phổ biến cho kết cấu tĩnh
T651	Cao	Thấp–Trung bình	Kém	Kém	T6 cộng với giảm ứng suất bằng cách kéo giãn để giảm ứng suất dư
T73 / T76	Trung bình–Cao	Trung bình	Trung bình	Kém	Độ tôi quá già để cải thiện khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất (SCC) và độ dai va đập
H14	Trung bình	Trung bình	Trung bình	Trung bình	Làm cứng do biến dạng với khả năng tạo hình hạn chế, dùng dạng tấm

Độ tôi đóng vai trò chính trong việc điều chỉnh tam giác độ bền/độ dai/khả năng tạo hình; trạng thái ủ cho phép tạo hình nguội đáng kể nhưng giảm độ bền, trong khi T6 và T651 cung cấp độ bền tĩnh tối đa với độ dẻo thấp. Các độ tôi quá già như T73 hoặc T76 cố ý hạ thấp độ bền đỉnh để cải thiện khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất và tăng độ dai va đập, làm cho chúng phổ biến cho các tấm dày trong ngành hàng không.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	0.10 tối đa	Tạp chất; ảnh hưởng giới hạn đến độ bền
Fe	0.20 tối đa	Tạp chất phổ biến; lượng Fe quá mức có thể tạo pha liên kim ảnh hưởng độ dai
Mn	0.05 tối đa	Thường thấp trong hợp kim nhóm 7xxx; vai trò hạn chế
Mg	2.0–3.0	Nguyên tố tạo pha kết tủa (MgZn2) quan trọng trong quá trình làm già
Cu	1.5–2.5	Nâng cao độ bền và ảnh hưởng đến động học tôi già cũng như độ dai
Zn	6.5–8.5	Nguyên tố tăng cường chính; mức độ được điều chỉnh để đạt độ bền đỉnh và hành vi SCC
Cr	0.05–0.25	Chất phụ gia kiểm soát vi cấu trúc để ức chế tái kết tinh
Ti	0.02–0.10	Chất tinh chế hạt trong dạng đúc hoặc tôi
Khác (Zr, Ag, B)	Khoáng lượng vi lượng	Zr hoặc các phụ gia vi lượng khác được dùng để kiểm soát sự phát triển hạt và cải thiện độ dai; mức chính xác tùy thuộc sản phẩm cán

Hiệu suất của hợp kim chủ yếu chịu ảnh hưởng bởi hệ thống Zn–Mg–Cu định hình động học tạo già và cấu trúc pha kết tủa; lượng Zn và Mg cao thúc đẩy phân bố dày đặc các pha kết tủa tăng cường, trong khi Cu điều chỉnh thành phần pha và ứng suất kết hợp. Bổ sung nhỏ Zr hoặc Cr nhằm tạo cấu trúc hạt phụ trong tấm dày, giúp giảm sự phục hồi và hình thành pha kết tủa ở biên hạt, do đó nâng cao độ dai va đập và giảm độ nhạy với ăn mòn mạng hạt.

Tính Chất Cơ Học

7085 thể hiện độ bền kéo và độ bền chảy cao ở các độ tôi đạt đỉnh với độ dãn giảm so với các hợp kim nhôm có độ bền thấp hơn. Đặc tính giới hạn chảy có sự giảm giới hạn chảy ít nhưng phụ thuộc đáng kể vào độ dày và trạng thái tôi; các tiết diện dày thường có giá trị giới hạn chảy và bền kéo thấp hơn do tốc độ làm nguội chậm hơn. Độ dãn thay đổi nhiều theo độ tôi và độ dày, với trạng thái O hoặc ủ có độ dãn ở mức hai chữ số trung bình trong khi T6/T651 thường nằm trong khoảng một đến hai chữ số thấp.

Độ cứng ở độ tôi đạt đỉnh cao và tương quan với độ bền kéo; giá trị độ cứng Brinell của tấm T6/T651 thường cao hơn đáng kể so với hợp kim 6xxx phổ biến và tương tự các hợp kim 7xxx cường độ cao khác. Hiệu suất chống mỏi nhìn chung tốt cho nhóm cường độ này khi chú ý kỹ đến bề mặt và ứng suất dư; tuy nhiên, sự phát triển và khởi phát vết nứt mỏi có thể xấu đi do ăn mòn cục bộ hoặc vết gia công. Độ dày tiết diện và lộ trình xử lý nhiệt ảnh hưởng mạnh đến tính chất tĩnh và mỏi bởi nhạy cảm với tốc độ tôi và điều kiện già kiểm soát phân bố pha kết tủa và ứng suất dư.

Tính Chất	Trạng Thái O/Ủ	Độ Tôi Chính (vd: T6/T651)	Ghi Chú
Độ Bền Kéo	~300–380 MPa	~540–620 MPa	Độ bền kéo giảm theo độ dày; T6 đạt độ bền cao nhất
Giới Hạn Chảy	~140–250 MPa	~470–560 MPa	Tỷ lệ giới hạn chảy trên bền kéo thay đổi theo độ tôi và trạng thái già
Độ Dãn	~20–30%	~6–12%	Vật liệu ủ có khả năng tạo hình tốt hơn nhiều so với trạng thái tôi đỉnh
Độ Cứng	~70–95 HB	~150–190 HB	Độ cứng tương quan với mật độ pha kết tủa và độ tôi

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	2.78–2.82 g/cm³	Giá trị điển hình cho hợp kim nhôm Zn–Mg–Cu; mật độ cao hơn nhôm nguyên chất một chút
Khoảng Nhiệt Độ Nóng Chảy	≈ 480–635 °C	Nhiệt độ bắt đầu và kết thúc nóng chảy phụ thuộc thành phần hợp kim; khoảng nhiệt độ nóng chảy rộng hơn nhôm tinh khiết
Độ Dẫn Nhiệt	120–150 W/m·K (xấp xỉ)	Thấp hơn nhôm nguyên chất do sự phân tán của các nguyên tố hòa tan
Độ Dẫn Điện	~30–40 % IACS	Giảm so với nhôm hợp kim thấp vì chứa các nguyên tố hòa tan
Nhiệt Dung Riêng	~0.88–0.90 J/g·K	Giá trị điển hình của nhôm ở nhiệt độ môi trường
Hệ Số Nở Nhiệt	~23–24 ×10⁻⁶ /K	Hệ số tuyến tính điển hình của hợp kim nhôm gia công ở nhiệt độ phòng

Bộ tính chất vật lý đặt 7085 nằm trong phạm vi mong đợi của các hợp kim nhôm gia công cường độ cao; mật độ vẫn thấp so với thép, giúp đạt tỷ số bền trên trọng lượng xuất sắc. Độ dẫn nhiệt và điện giảm do các nguyên tố hợp kim gây phân tán electron và phonon, vì vậy các nhà thiết kế không nên mong đợi hiệu suất tản nhiệt bằng hợp kim nhôm thương mại tinh khiết hoặc nhóm 1xxx.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Điển Hình	Đặc Tính Cơ Lực	Độ Ổn Định Nhiệt Thường Dùng	Ghi Chú
Tấm	0.5–6 mm	Độ bền ổn định ở các chiều dày mỏng; ít nhạy cảm với tôi	O, H111, T5	Phổ biến cho kết cấu phụ cần định hình
Thép tấm dày (Plate)	6–200+ mm	Độ bền giảm khi tăng độ dày nếu tôi chậm	T6, T651, T73/T76	Thép tấm nặng thường được xử lý nhiệt để kiểm soát quá trình tôi và lão hóa nhằm chống ăn mòn ứng suất (SCC)
Đùn (Extrusion)	Đến tiết diện lớn	Độ bền phụ thuộc kích thước tiết diện và kiểm soát kết tủa	T6/T651, T5	Ít phổ biến hơn thép tấm; dùng cho các biên dạng tăng cứng phức tạp
Ống	Đường kính/Độ dày thành ống tùy chỉnh	Tính chất cơ học bị ảnh hưởng bởi hình thành và xử lý nhiệt	T6/T651	Dùng cho ống kết cấu chịu lực cao khi hạn chế hàn
Thanh tròn/Thanh đặc (Bar/Rod)	Đường kính đến 150 mm	Tính chất biến đổi theo tiết diện và quá trình lão hóa sau đó	T6, T651	Dùng cho rèn, phụ kiện và chi tiết gia công

Sự khác biệt trong quá trình gia công ảnh hưởng tới lựa chọn ứng dụng: tấm và biên dạng mỏng được chọn cho tính dễ tạo hình và kết cấu nhẹ, trong khi thép tấm dày được chỉ định khi cần độ bền cao và khả năng chống gãy nứt. Đùn và rèn hợp kim 7085 ít phổ biến hơn, thường dành cho các chi tiết yêu cầu sức bền cao và khả năng chống gãy cùng các hình dạng tiết diện đặc thù.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	7085	USA	Chỉ định chính được sử dụng bởi nhà sản xuất Bắc Mỹ cho tấm hàng không
EN AW	—	Châu Âu	Không có tiêu chuẩn EN tương đương trực tiếp; nhiều nhà máy châu Âu cung cấp các biến thể độc quyền của nhóm 7xxx
JIS	—	Nhật Bản	Không có mác JIS được chấp nhận rộng rãi tương đương trực tiếp; thường dùng chỉ định AA hoặc độc quyền
GB/T	—	Trung Quốc	Các nhà máy Trung Quốc sản xuất hợp kim chứa Zn cao tương tự nhưng độ tương thích tiêu chuẩn với AA7085 hạn chế

Hợp kim 7085 chủ yếu là hợp kim thép tấm hàng không độc quyền, không có các mác tương đương một-một trên các tiêu chuẩn quốc gia để thay thế trực tiếp; nhà cung cấp thường cung cấp các thông số cơ lý, hóa học và chống gãy nứt phải được đối chiếu kỹ càng. Khi tra cứu mác, kỹ sư nên so sánh chính xác thành phần, định nghĩa nhiệt luyện và dữ liệu chống gãy nứt thay vì chỉ dựa vào số mác danh định.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

Trong môi trường khí quyển, 7085 cung cấp khả năng chống ăn mòn tổng thể hợp lý nhưng nhạy cảm với ăn mòn cục bộ hơn so với các hợp kim nhóm 5xxx hoặc 6xxx do hàm lượng kẽm và đồng cao hơn. Các phương pháp xử lý bề mặt, phủ phủ bảo vệ, hoặc mạ che phủ thường được chỉ định để giảm thiểu ăn mòn điểm và phân lớp trên bề mặt ngoài trời hoặc môi trường ăn mòn mạnh. Khi được lão hóa quá mức (T73/T76), hợp kim cải thiện khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất so với nhiệt luyện đạt đỉnh (peak-aged).

Đối với môi trường biển, phản ứng của 7085 khá đa dạng: hợp kim hoạt động ở mức chấp nhận được trong môi trường ăn mòn nhẹ nếu được bảo vệ, nhưng trong vùng phun muối hoặc tiếp xúc trực tiếp với nước biển không bảo vệ, hợp kim cần phủ phủ hoặc mạ che phủ để đảm bảo độ bền lâu dài. Tương tác điện hóa giữa hợp kim với bulông đinh tán và vật liệu kết hợp phải được lưu ý; kết hợp 7085 với thép không gỉ sẽ tạo thành cặp điện hóa, trong đó nhôm là cực anode, làm tăng tốc độ ăn mòn trừ khi được cách điện hoặc bảo vệ catốt.

Nứt do ăn mòn ứng suất (SCC) là mối quan tâm thiết kế chính với hợp kim nhóm 7xxx: các nhiệt độ đạt đỉnh có độ bền cao dễ bị tổn thương hơn, nhất là khi tồn tại ứng suất kéo dư và môi trường điện phân ăn mòn. Quá trình lão hóa quá mức và kiểm soát vi cấu trúc (kiểm soát kết tủa ở ranh giới hạt thông qua bổ sung Zr/Cr) là các biện pháp phòng ngừa hiệu quả. So với nhóm 5xxx và 6xxx, 7085 đánh đổi khả năng chống ăn mòn lấy độ bền cao; so với 7075/7050, hợp kim 7085 hướng đến sự cân bằng tốt hơn – thường cung cấp độ dai và khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất cải thiện ở tiết diện dày.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

Hàn hợp kim 7085 theo phương pháp truyền thống (hàn chảy) thường không được khuyến cáo cho các kết cấu chính do hiện tượng làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), mất độ bền, và nguy cơ rạn nứt nóng cũng như rỗ khí. Nếu cần nối, công nghệ hàn khuấy ma sát (FSW) hoặc các phương pháp trạng thái rắn được ưu tiên; những phương pháp này giảm khuyết tật do nóng chảy và giữ lại tính chất kim loại gốc tốt hơn. Đối với các mối hàn không quan trọng, việc sử dụng dây hàn đặc biệt và kiểm soát nhiệt tiền/ hậu xử lý là cần thiết, nhưng thiết kế phải tính đến vùng HAZ yếu và tuổi thọ mỏi giảm.

Độ dễ gia công

Độ dễ gia công của 7085 ở trạng thái T6/T651 từ trung bình đến tốt so với các hợp kim nhóm 7xxx có độ bền cao khác, nhờ vi cấu trúc tương đối đồng nhất ở dạng rèn; tuy nhiên độ mòn dao cao hơn so với hợp kim nhóm 6xxx. Khuyến nghị sử dụng dụng cụ cacbua với góc cắt sắc, độ nghiêng tích cực, thiết lập cứng và lượng chất làm mát dồi dào để kiểm soát sự hình thành phoi và nhiệt phát sinh. Bề mặt gia công và ứng suất dư từ quá trình này ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ mỏi và khả năng khởi phát vết nứt, do đó cần xử lý hoàn thiện và giảm ứng suất cho các chi tiết hàng không quan trọng.

Khả năng tạo hình

Hiệu quả tạo hình phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ tôi và độ dày; các trạng thái O và H111 cho khả năng tạo hình nguội tốt nhất với bán kính uốn nhỏ, trong khi T6/T651 là các trạng thái khó uốn mà không nguy cơ nứt. Bán kính uốn tối thiểu được khuyến nghị tăng theo độ bền và giảm theo độ dày; người thiết kế thường dùng tạo hình nóng hoặc tiền nung kết hợp lão hóa lại để đạt hình dạng phức tạp ở các tiết diện dày hơn. Với dạng tấm, chọn trạng thái nhiệt luyện phù hợp và thiết kế dụng cụ là biện pháp giảm hiện tượng đàn hồi trở lại (springback) và nứt mép.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

7085 có thể xử lý nhiệt: tôi dung dịch thường xảy ra ở nhiệt độ khoảng 470–480 °C để hòa tan các pha hòa tan được, sau đó làm lạnh nhanh để giữ lại dung dịch rắn bão hòa quá mức. Quá trình lão hóa nhân tạo thay đổi dựa trên yêu cầu tính chất; nhiệt luyện đạt đỉnh (T6) thường dùng nhiệt độ khoảng 120–130 °C trong 16–24 giờ, trong khi lão hóa quá mức (T73/T76) dùng nhiệt độ cao hơn hoặc thời gian dài hơn để làm thô kết tủa và cải thiện khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất. T651 là trạng thái T6 có kiểm soát kéo giãn để giảm ứng suất dư, phổ biến cho thép tấm hàng không.

Chuyển trạng thái nhiệt T bao gồm hiệu ứng lão hóa tự nhiên ngay sau khi tôi và khả năng đạt được tính chất trung gian qua các quy trình lão hóa gián đoạn hoặc hồi phục và lão hóa lại (RRA) nhằm phục hồi độ dai và khả năng chống nứt ăn mòn mà không mất nhiều độ bền. Kiểm soát tốc độ làm nguội, nhiệt độ lão hóa và thời gian tôi dung dịch là cực kỳ quan trọng với các tiết diện dày để tránh vùng mềm cục bộ và tính chất không đồng đều.

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

Độ giữ độ bền của 7085 giảm khi nhiệt độ tăng do kết tủa được làm thô và giảm hiệu quả; giới hạn sử dụng để giữ tính chất tĩnh ở nhiệt độ phòng thường dưới 100–120 °C tùy thời gian và tải trọng. Tiếp xúc kéo dài trên nhiệt độ lão hóa có thể làm giảm độ bền và thúc đẩy lão hóa quá mức, do vậy nhà thiết kế phải tính đến các chu kỳ nhiệt bên trong quá trình sử dụng hoặc gia công. Quá trình oxy hóa tại nhiệt độ làm việc điển hình cho hợp kim nhôm là tối thiểu, nhưng tiếp xúc cùng ẩm ướt và nhiệt độ cao có thể tăng tốc ăn mòn cục bộ.

Tại các mối hàn, vùng HAZ đặc biệt dễ bị tổn thương do hòa tan và thô kết tủa; tạo thành các dải mềm làm giảm khả năng chịu tải và sức bền mỏi. Các chi tiết thường xuyên chịu nhiệt hoặc chu kỳ nhiệt cần được xử lý giảm ứng suất và lựa chọn trạng thái nhiệt luyện phù hợp nhằm hạn chế mất tính chất lâu dài.

Ứng Dụng

Ngành	Ví Dụ Chi Tiết	Lý Do Chọn 7085
Hàng không vũ trụ	Vỏ cánh và xương cấu trúc	Hệ số bền trên trọng lượng cao và độ dai cao ở thép tấm dày
Hàng hải / Quốc phòng	Phụ kiện kết cấu chịu lực cao	Khả năng chịu hư hại và độ bền tĩnh cao khi trọng lượng là yếu tố quan trọng
Giao thông vận tải	Phụ kiện khung xe nhẹ cho xe hiệu suất cao	Độ bền ưu việt cho phép tiết diện mỏng hơn và giảm khối lượng
Điện tử / Quản lý nhiệt	Bộ tản nhiệt kết cấu cho thiết bị điện tử chịu va đập	Độ dẫn nhiệt vừa phải kết hợp với hiệu suất cơ học kết cấu

7085 thường được lựa chọn cho các chi tiết có giá trị cao, yêu cầu an toàn nghiêm ngặt, nơi trả giá cao cho sự kết hợp giữa độ bền kéo/giới hạn chảy và độ dai tăng cường ở tiết diện dày. Ứng dụng tập trung chủ yếu trong ngành hàng không và quốc phòng, nơi cần chứng nhận cấp độ đặc tả, nguồn gốc thép tấm và quy trình gia công truy xuất được.

Lời Khuyên Lựa Chọn

7085 là lựa chọn tự nhiên khi cần độ bền cao và cải thiện độ dai trong tiết diện dày, đồng thời các nhà thiết kế chấp nhận hạn chế về khả năng hàn và khả năng tạo hình. Với các ứng dụng ưu tiên tạo hình hoặc hàn chảy, các hợp kim có độ bền thấp hơn hoặc các trạng thái nhiệt luyện chuyên biệt có thể là lựa chọn phù hợp hơn.

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 7085 đánh đổi khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt cùng tính định hình để lấy độ bền và độ cứng cao hơn nhiều, làm cho nó không phù hợp ở những ứng dụng yêu cầu dẫn điện hoặc dập sâu. So với các hợp kim làm cứng do biến dạng như 3003 hoặc 5052, 7085 cung cấp độ bền cao hơn đáng kể nhưng nói chung có khả năng chống ăn mòn và độ dẻo thấp hơn; lựa chọn 7085 khi hiệu suất kết cấu quan trọng hơn các yếu tố bảo trì liên quan đến ăn mòn. So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt phổ biến như 6061, 7085 mang lại giới hạn bền kéo đỉnh cao hơn đáng kể và thường có độ dai va đập tốt hơn trên tấm, nhưng chi phí vật liệu cao hơn và khả năng hàn giảm; 7085 được ưu tiên cho các chi tiết kết cấu chính nơi cần đến độ bền và khả năng chịu hư hỏng bổ sung đó.

Tóm tắt kết luận

7085 chiếm vị trí hiệu suất cao trong dòng hợp kim 7xxx bằng cách cung cấp độ bền rất lớn trên tấm dày đồng thời cân bằng độ dai va đập và khả năng chống ứng suất ăn mòn (SCC) thông qua kiểm soát thành phần hóa học và tình trạng tôi luyện. Việc ứng dụng trong các thành phần hàng không vũ trụ và quốc phòng phản ánh khả năng của hợp kim này trong việc giảm khối lượng kết cấu mà không làm giảm khả năng chịu tổn thương, làm cho nó trở thành lựa chọn phù hợp cho các ứng dụng kết cấu đòi hỏi cao, nơi hiệu suất vật liệu biện minh cho chi phí và hạn chế trong gia công.