Nhôm 7099: Thành phần hóa học, Tính chất, Hướng dẫn trạng thái nhiệt luyện & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

7099 là hợp kim nhôm cường độ cao thuộc dòng 7xxx của hợp kim Al-Zn-Mg(-Cu). Hợp kim này được phát triển cho các ứng dụng kết cấu đòi hỏi cao về độ bền riêng, độ dai va đập tốt và khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất cải thiện so với các hợp kim 7xxx cơ bản.

Nguyên tố hợp kim chính trong 7099 gồm kẽm, magie và đồng, cùng các phụ gia vi hợp kim như zirconium và một lượng nhỏ crôm hoặc titan để kiểm soát cấu trúc tinh thể và tái kết tinh. Cơ chế làm cứng chủ yếu là tạo kết tủa (có thể xử lý nhiệt) thông qua sự hình thành các kết tủa nhỏ η' và η (MgZn2) sau khi xử lý dung dịch và tôi già nhân tạo; cấu trúc vi mô được kiểm soát giúp kỹ thuật ranh giới hạt nhằm giảm thiểu khả năng nhạy cảm với nứt ăn mòn ứng suất (SCC).

Đặc điểm chính của 7099 bao gồm độ bền kéo và giới hạn chảy rất cao ở trạng thái già nhân, khả năng chống ăn mòn nội sinh trung bình đến thấp đặc trưng cho các hợp kim giàu Zn (nhưng thường được cải thiện bằng quá trình quá già hoặc xử lý sau gia công), khả năng hàn trực tiếp hạn chế ở trạng thái già nhân cao điểm, và tính dẻo giảm so với các hợp kim 3xxx/5xxx. Các ngành sử dụng điển hình gồm hàng không vũ trụ, ô tô hiệu năng cao, quốc phòng và một số ngành hàng thể thao cường độ cao cần thành phần kết cấu tối ưu về khối lượng. Kỹ sư chọn 7099 thay cho các hợp kim khác khi yêu cầu kết hợp độ bền rất cao, độ dai va đập và khả năng chống SCC được điều chỉnh vượt trội hơn lợi thế về tính dẻo, độ dẫn điện và tính toàn vẹn mối hàn.

Biến Thể Nhiệt Độ (Temper)

Biến Thể	Cấp Độ Bền	Độ Dãn Dài	Khả Năng Tạo Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao	Tuyệt vời	Tuyệt vời	Ủ mềm hoàn toàn, độ dẻo tối đa để tạo hình
T1	Trung bình	Trung bình	Tốt	Kém đến trung bình	Làm nguội từ nhiệt độ gia công nóng và già tự nhiên
T4	Trung bình-Cao	Trung bình	Trung bình	Kém	Xử lý dung dịch và già tự nhiên
T6	Rất Cao	Thấp-Trung bình	Hạn chế	Kém	Xử lý dung dịch và già nhân tạo đạt độ bền cực đại
T651	Rất Cao	Thấp-Trung bình	Hạn chế	Kém	T6 có kéo giãn ứng suất sau làm nguội
T73 / T76	Trung bình-Cao	Trung bình	Cải thiện	Cao hơn T6	Già quá mức để cải thiện khả năng chống SCC và bong tróc
H14 / H24	Trung bình	Giảm	Hạn chế	Cao hơn T6	Gia công làm cứng cho ứng dụng tấm

Biến thể nhiệt độ ảnh hưởng chủ yếu đến cân bằng cơ học giữa độ bền và độ dẻo cũng như khả năng chống ăn mòn. Các biến thể già nhân cực đại (T6/T651) tối đa hóa độ bền tĩnh và khả năng chống mỏi nhưng giảm khả năng tạo hình và tăng độ nhạy cảm với nứt ăn mòn ứng suất (SCC); các biến thể quá già (T73/T76) đánh đổi một phần độ bền để cải thiện độ dai và hiệu suất môi trường.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	≤ 0.10	Kiểm soát tạp chất; giữ thấp để tránh hình thành các pha liên kim làm giảm độ dai
Fe	≤ 0.25–0.50	Tạp chất; thúc đẩy hình thành liên kim có thể là điểm khởi đầu cho mỏi
Mn	≤ 0.10	Yếu tố nhỏ, thường điều chỉnh để hạn chế pha có hại
Mg	~2.0–3.0	Nguyên tố hợp kim chính để làm cứng kết tủa (kết tủa MgZn2)
Cu	~1.2–2.6	Tăng độ bền và góp phần cho quá trình già hóa; ảnh hưởng đến chống ăn mòn và SCC
Zn	~6.5–8.5	Nguyên tố làm cứng chủ đạo, tạo độ bền cực đại qua kết tủa Mg-Zn
Cr	~0.02–0.25	Thêm với lượng vi lượng nhằm kiểm soát tái kết tinh và tinh giảm cấu trúc tinh thể
Ti	≤ 0.10	Phân tinh khi được thêm đúng mức kiểm soát
Khác	Cân bằng (Al) + lượng vi lượng Zr, Ag, v.v.	Zr hoặc các nguyên tố vi hợp kim khác thường được dùng để kiểm soát phân tán và hạn chế tái kết tinh

Phạm vi các nguyên tố trên đại diện cho thực tiễn hợp kim 7xxx cường độ cao, mang tính chất cửa sổ thành phần điển hình hơn là chỉ số chuẩn xác. Kẽm, magie và đồng phối hợp tạo ra quần thể kết tủa mịn chịu trách nhiệm độ bền cao; vi hợp kim Zr/Cr/Ti thúc đẩy cấu trúc hạt phụ ổn định, chống tái kết tinh, cải thiện độ dai và giảm nhạy cảm với SCC.

Tính Chất Cơ Học

7099 biểu hiện vùng giới hạn độ bền kéo rộng phụ thuộc nhiều vào biến thể nhiệt độ; vật liệu ủ mềm cho thấy hành vi kéo dãn dẻo với độ dãn dài đồng đều đáng kể, trong khi các biến thể già nhân đạt độ bền kéo tối đa tương đương các hợp kim nhôm bền nhất dùng trong hàng không. Giới hạn chảy ở biến thể T6/T651 đủ cao để thay thế một số thành phần thép theo cân bằng trọng lượng, nhưng độ dãn dài và khả năng uốn giới hạn. Độ cứng có quan hệ chặt chẽ với trạng thái độ bền kéo/giới hạn chảy và là chỉ số hữu ích để kiểm soát chất lượng và quá trình già hóa.

Hiệu suất chống mỏi của 7099 trong các biến thể tối ưu được đánh giá cao so với các hợp kim nhôm khác, nhờ vào kiểm soát chặt chẽ lẫn tạp chất và cấu trúc hạt; tuy nhiên tuổi thọ mỏi nhạy cảm với điều kiện bề mặt, ứng suất dư và môi trường vận hành. Ảnh hưởng độ dày rất rõ nét: các chi tiết dày hơn thường khó xử lý dung dịch đồng đều, có thể giữ lại gradient tính chất theo độ dày, và có xu hướng nhạy cảm hơn với ăn mòn bong tróc hoặc ăn mòn giữa các hạt nếu không được xử lý già hoặc quá già thích hợp.

Hiện tượng mềm hóa do ăn mòn và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) từ hàn hoặc gia nhiệt cục bộ có thể làm giảm đáng kể độ bền cục bộ và tuổi thọ mỏi; do đó hiệu suất cơ học phải luôn được xem xét trong bối cảnh quy trình chế tạo hoàn thiện và biến thể nhiệt độ chọn lựa.

Tính Chất	O/Đã Ủ	Biến Thể Chính (ví dụ T6/T651)	Ghi Chú
Độ Bền Kéo	~220–300 MPa (điển hình)	~540–620 MPa (điển hình)	Giá trị tại biến thể già nhân phụ thuộc hợp kim và biến thể; phạm vi thể hiện giá trị kỹ thuật điển hình
Giới Hạn Chảy	~90–150 MPa	~470–560 MPa	Tỷ lệ giữa giới hạn chảy và độ bền tối đa thay đổi theo biến thể và lịch sử gia công
Độ Dãn Dài	~15–25%	~6–12%	Độ dẻo giảm khi độ bền tăng; thiết kế cân nhắc giới hạn tạo hình trong biến thể cường độ cao
Độ Cứng	~40–80 HB	~150–185 HB	Độ cứng Brinell hoặc Vickers tương quan tốt với độ bền kéo dùng để kiểm soát quá trình

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	~2.78–2.81 g/cm³	Điển hình cho hợp kim Al-Zn-Mg-Cu cường độ cao; cho phép độ bền riêng cao
Phạm Vi Nhiệt Độ Nấu Chảy	Solidus ≈ 475–500 °C; Liquidus ≈ 635–655 °C	Phần hợp kim làm giảm điểm solidus so với nhôm tinh khiết; phạm vi phụ thuộc thành phần chính xác
Độ Dẫn Nhiệt	~120–160 W/m·K (nhiệt độ phòng, ước lượng)	Thấp hơn nhôm tinh khiết; độ dẫn giảm do lực hợp kim nặng hơn
Độ Dẫn Điện	~30–50 %IACS (điển hình)	Giảm đáng kể so với nhôm tinh khiết; giá trị ảnh hưởng bởi biến thể và trạng thái kết tủa
Nhiệt Dung Riêng	~0.85–0.92 J/g·K	Gần với các hợp kim nhôm khác; hữu ích cho thiết kế nhiệt
Hệ Số Giãn Nhiệt	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Độ giãn nở điển hình của nhôm; lưu ý khi lắp ghép với vật liệu có giãn nở thấp

Các tính chất vật lý trên là các giá trị kỹ thuật ước lượng dùng cho tính toán sơ bộ về nhiệt và khối lượng. Độ dẫn nhiệt và dẫn điện giảm so với nhôm tinh khiết do hợp kim và trạng thái kết tủa; những thay đổi này ảnh hưởng đến phân tán nhiệt và hành vi điện từ trong các thành phần hiệu năng cao.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước điển hình	Đặc tính cơ lý	Ứng xử nhiệt độ thường	Ghi chú
Tấm	0.4–6.0 mm	Cơ tính tốt trên trọng lượng với tôi luyện T6/T651; tôi luyện toàn độ dày T73 cải thiện khả năng chống ăn mòn ứng suất (SCC)	O, Hx, T6, T651, T73	Được sử dụng rộng rãi cho các panel và vỏ tạo hình cần độ bền và độ cứng cao
Thép tấm dày (Plate)	6–100+ mm	Có thể có sự biến đổi cơ tính theo độ dày; khối lượng lớn thường cần xử lý hoà tan đặc biệt	T6, T651, T76	Gia công tấm cần lò nung lớn và kiểm soát làm nguội để tránh lõi bị mềm
Đùn (Extrusion)	Hồ sơ biên dạng đến vài trăm mm	Độ bền kéo cao ở các trạng thái tuổi đạt cực đại; tính hướng đùn ảnh hưởng đến tính chất	T6, T651, T73	Các chi tiết cấu trúc đùn lợi ích từ phụ gia kiểm soát kết tinh lại
Ống	Đường kính và độ dày thành ống đa dạng	Ứng xử tương tự đùn; tính chất vòng và dọc trục khác nhau	T6, T651	Các bộ phận ống cần xử lý tuổi sau đùn để đạt tính chất mục tiêu
Thanh / Tròn	Đường kính từ nhỏ đến lớn	Tính chất phụ thuộc vật liệu nguồn và quá trình làm nguội	O, T6, T651	Dùng cho chi tiết chịu lực gia công cơ khí và phôi bulong

Quy trình gia công ảnh hưởng mạnh đến tính chất cuối cùng: cán và đùn tạo biến dạng lớn và hiện tượng kết tinh lại cần kiểm soát bằng vi hợp kim hóa (Zr, Cr) để duy trì cấu trúc tiểu tinh thể thuận lợi. Các chi tiết tấm và khối dày cần xử lý hoà tan mạnh và làm nguội cẩn trọng tránh hiện tượng mềm lõi, trong khi tấm mỏng dễ dàng được xử lý tuổi đồng đều và tạo hình ở các trạng thái mềm hơn trước khi bước tuổi cuối cùng.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	7099	USA	Định danh dùng trong một số catalog nhà cung cấp và đặc tả hàng không vũ trụ
EN AW	Không có tương đương chung trực tiếp	Châu Âu	Không có số EN duy nhất tương đương với 7099; hợp kim tương tự là các biến thể trong họ EN AW-7075 / EN AW-7050
JIS	—	Nhật Bản	Không phổ biến tương đương trực tiếp; vật liệu thường lấy theo đặc tả hàng không độc quyền
GB/T	—	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc có liệt kê hợp kim Zn-Mg-Cu chịu lực cao nhưng cần đối chiếu thành phần và tôi luyện để tương đương

Tương đương trực tiếp cho 7099 hạn chế do hợp kim thường là sở hữu độc quyền hoặc sản xuất theo đặc tả nhà cung cấp hàng không vũ trụ kiểm soát vi hợp kim hóa và quy trình nhiệt cơ. Khi thay thế, kỹ sư nên so sánh đầy đủ bảng thành phần hóa học và cơ tính thay vì chỉ dựa vào tên gọi.

Khả năng Chống Ăn Mòn

Trong điều kiện khí quyển, 7099 hoạt động tốt hơn một số hợp kim Zn cao tuổi cực đại khi có xử lý overage thích hợp hoặc lớp phủ bảo vệ, tuy nhiên nhìn chung kém chống ăn mòn hơn so với hợp kim dòng 5xxx và 3xxx. Các xử lý bề mặt như chuyển hóa chromate, anode hóa và sơn bảo vệ thường được dùng để kéo dài tuổi thọ sử dụng và giảm hiện tượng ăn mòn cục bộ.

Trong môi trường biển, khả năng chống ăn mòn là yếu tố quan trọng; nước biển thúc đẩy sự ăn mòn cục bộ (pitting) và ăn mòn hạt (intergranular) ở hợp kim Zn, Cu cao trừ khi được xử lý qua quá trình overage (T73/T76), phủ bề mặt hoặc bảo vệ hi sinh. Ứng dụng vùng bắn bọt biển hay ngâm lâu cần lựa chọn hợp kim/tôi luyện, chuẩn bị bề mặt và bảo vệ dòng điện phân cực cẩn thận.

Ăn mòn ứng suất (SCC) là rủi ro đã biết đối với hợp kim 7xxx tuổi cực đại, nhất là khi chịu ứng suất kéo liên tục trong môi trường ăn mòn. Các biến thể như 7099 được thiết kế bổ sung vi hợp kim và dùng trạng thái overage đề giảm nguy cơ SCC, nhưng người thiết kế cần lưu ý tương tác điện hóa khi ghép nối 7099 với vật liệu quý hơn như thép không gỉ hoặc titan, đồng thời hạn chế khe hở và ứng suất dư kéo.

Đặc tính Gia Công

Khả năng hàn

Hàn 7099 khó khăn ở các trạng thái nhiệt luyện đạt độ bền cao vì vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và vùng hợp kim hóa dễ bị mềm và mất cơ tính. Hàn TIG và MIG có thể dùng cho sửa chữa cục bộ hoặc mối ghép nhưng thường cần xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) hoặc thiết kế cơ khí để tránh tập trung ứng suất cao. Kim loại phụ khuyên dùng thường là các hợp kim 7xxx chịu lực thấp hơn hoặc buổi phụ gia đặc biệt cân bằng độ bền và chống nứt; tuy nhiên, hàn chồng hoặc hàn ma sát và liên kết cơ học thường được ưu tiên cho cấu kiện kết cấu để tránh suy giảm vùng HAZ.

Khả năng gia công CNC

Chế tạo 7099 cơ bản tốt trong các hợp kim nhôm chịu lực cao: dễ gia công hơn thép chịu lực cao và có thể đạt tốc độ gia công cao, nhưng hình dáng mũi dao và vật liệu dụng cụ phải được thiết kế để đáp ứng tính làm cứng do biến dạng và lượng kết tủa mài mòn lớn. Dụng cụ cacbua với gốc dao góc dương, tốc độ chạy cao và lượng chạy trung bình là tối ưu; cần làm mát và thoát phoi tốt để tránh hiện tượng mạt bám dính (built-up edge). Chỉ số gia công thấp hơn hợp kim dòng 6xxx nhưng chấp nhận được cho chi tiết chính xác, phức tạp khi sử dụng dụng cụ hiện đại.

Khả năng tạo hình

Tạo hình nguội hạn chế ở trạng thái tuổi cực đại; bán kính uốn nhỏ nhất lớn hơn so với hợp kim 5xxx hoặc 3xxx, hiện tượng đàn hồi ngoặt (springback) mạnh do giới hạn chảy cao. Thực tế tốt nhất là tạo hình các trạng thái mềm hơn (O hoặc tôi luyện T4/H) và thực hiện công đoạn tôi luyện nhân tạo cuối cùng (T6) sau tạo hình nếu được. Phương pháp kéo dãn, tạo hình từng phần và siêu dẻo có thể dùng cho hình dạng phức tạp, đồng thời lựa chọn trạng thái tôi luyện (như loạt H1x) cải thiện tạo hình cho công việc biến dạng hạn chế.

Ứng Xử Xử Lý Nhiệt

7099 là hợp kim có thể xử lý nhiệt theo chu trình điển hình hòa tan – tôi nhanh – tôi tuổi. Xử lý hòa tan thường thực hiện gần điểm cao nhất của dải hòa tan rắn (khoảng 470–480 °C, tùy hợp kim) để hòa tan các pha tan được, tiếp theo là làm nguội nhanh để giữ dung dịch rắn quá bão hòa. Tôi nhân tạo diễn ra ở nhiệt độ trung bình (thường 120–180 °C) trong thời gian kiểm soát để kết tủa mịn các hạt η' và đạt độ bền đạt cực đại (T6).

Quá trình overaging (các biến thể T7x) được dùng để làm thô kết tủa và giảm khác biệt điện hóa tại ranh giới hạt, nâng cao khả năng chống SCC và tách vảy (exfoliation) với đánh đổi một phần độ bền kéo cực đại. Mác T651 cho biết xử lý giảm ứng suất bằng kéo dài sau khi làm nguội để kiểm soát ứng suất dư và biến dạng; phổ biến trong ứng dụng hàng không. Kiểm soát chính xác quy trình xử lý nhiệt, tốc độ làm nguội và công đoạn tôi nhiệt kế tiếp là rất quan trọng để đạt được tính năng cơ lý và môi trường dự kiến.

Ứng xử không xử lý nhiệt không áp dụng cho 7099 theo nghĩa cổ điển vì cơ chế làm cứng chính là kết tủa; tuy nhiên, gia nhiệt cục bộ (ví dụ để tạo hình) và chu trình gia công làm cứng có thể được sử dụng trong sản xuất để đạt bộ tính chất trung gian trước bước tôi cuối.

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

7099 giảm dần độ bền khi nhiệt độ tăng trên môi trường do độ bền kết tủa phụ thuộc nhiệt độ; nhiệt độ làm việc liên tục trên khoảng 100–120 °C sẽ làm giảm giới hạn chảy và giới hạn bền kéo, đồng thời thúc đẩy quá trình kết tủa thô. Tiếp xúc ngắt quãng với nhiệt độ cao hơn có thể làm anneal hoặc overage cấu trúc, thay đổi cơ tính và khả năng chống ăn mòn.

Oxid hóa hợp kim nhôm ở nhiệt độ làm việc điển hình thấp hơn thép, nhưng tính chất oxide bề mặt và lớp phủ bảo vệ cần được tính đến cho môi trường chịu dao động nhiệt. Vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ) trong mối hàn có thể bị mềm cục bộ và mất độ dai ở nhiệt độ cao, do đó thiết kế cho môi trường nhiệt độ biến đổi cần hạn chế nhiệt độ cao cục bộ và xét đến thay đổi ứng suất dư cũng như cấu trúc vi tinh thể.

Ứng Dụng

Ngành	Ví dụ chi tiết	Lý do sử dụng 7099
Hàng không vũ trụ	Gia cường thân máy bay, phụ kiện cánh, phôi rèn kết cấu	Độ bền riêng cao và cải thiện chống ăn mòn ứng suất trong trạng thái tuổi chọn lọc
Ô tô	Chi tiết khung cao hiệu suất, chi tiết chịu va chạm cấu trúc	Giảm trọng lượng với độ bền tương đương thép mác thấp hơn
Hàng hải	Chi tiết kết cấu, giá đỡ ngoài tàu (với xử lý bảo vệ)	Độ bền trên trọng lượng cao khi có biện pháp kiểm soát ăn mòn
Quân sự	Chi tiết vũ khí nhỏ, chi tiết cấu trúc xe	Độ bền và độ dai cao cho tải trọng yêu cầu khắt khe
Thể thao / Giải trí	Khung xe đạp cao cấp, chi tiết đua	Độ cứng trên trọng lượng xuất sắc và khả năng chịu mỏi tốt

7099 được lựa chọn cho các chi tiết ưu tiên độ bền và khả năng chống gãy cao cùng với khả năng kiểm soát quy trình gia công (xử lý nhiệt, hoàn thiện bảo vệ) đáng tin cậy. Vai trò của nó thường là vật liệu chủ lực cho các thiết kế trọng lượng quan trọng chịu tải cao.

Nhận định lựa chọn

7099 nên được lựa chọn khi việc giảm trọng lượng kết cấu và yêu cầu độ bền tĩnh và mỏi cao là yếu tố thiết kế chính, đồng thời khi chuỗi cung ứng có thể kiểm soát được trạng thái nhiệt luyện và bảo vệ bề mặt. Hợp kim này phù hợp nhất khi thiết kế cho phép hạn chế việc tạo hình sau quá trình lão hóa cuối cùng hoặc bao gồm quá trình lão hóa sau khi tạo hình để đạt được độ bền cần thiết.

So với nhôm tinh khiết thương mại (ví dụ: 1100), 7099 đánh đổi độ bền cao hơn nhiều và độ dẻo cùng độ dẫn điện thấp hơn để đổi lấy khả năng chịu tải cải thiện theo cấp số nhân; chỉ sử dụng 1100 khi cần khả năng tạo hình và dẫn điện xuất sắc mà độ bền không phải là yếu tố quan trọng. So với các hợp kim làm cứng bằng biến dạng (ví dụ: 3003 / 5052), 7099 cung cấp độ bền cao hơn đáng kể nhưng đánh đổi bởi khả năng tạo hình và khả năng chống ăn mòn đơn giản hơn; nên chọn 5052/3003 khi yêu cầu khả năng tạo hình và chống ăn mòn biển là ưu tiên hàng đầu. So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt phổ biến (ví dụ: 6061 / 6063), 7099 cung cấp độ bền cao nhất và độ dai kháng gãy tốt hơn ở các trạng thái nhiệt luyện cao điểm, làm cho nó ưu việt khi tỷ lệ độ bền trên trọng lượng là yếu tố quan trọng, mặc dù 6061/6063 vẫn dễ hàn và tạo hình hơn và thường có chi phí thấp hơn.

Tóm tắt cuối cùng

7099 vẫn giữ vai trò quan trọng trong kỹ thuật hiện đại nơi sự kết hợp của độ bền đặc trưng rất cao, kiểm soát độ dai kháng gãy và khả năng chống ăn mòn ứng suất (SCC) được thiết kế cho phép các thiết kế không thể thực hiện được với các hợp kim nhôm có độ bền thấp hơn, với điều kiện quy trình gia công, hoàn thiện và kiểm tra phải phù hợp với đặc tính nhạy cảm với trạng thái nhiệt luyện của hợp kim này.