Nhôm 7150: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt luyện & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

7150 là hợp kim nhôm thuộc dòng 7xxx, thuộc nhóm hợp kim Al‑Zn‑Mg‑Cu cường độ cao, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng kết cấu hàng không vũ trụ cấp cao. Thành phần hóa học chủ yếu là kẽm làm nguyên tố hợp kim chính, kết hợp với hàm lượng đáng kể magiê và đồng, cùng một lượng nhỏ zirconium để kiểm soát cấu trúc hạt và tăng khả năng chống tái kết tinh.

Hợp kim này có thể xử lý nhiệt và chủ yếu được tăng cường bằng phương pháp xử lý nhiệt dung dịch, sau đó làm nguội và già hóa nhân tạo để tạo ra sự phân tán dày đặc các pha kết tủa η′ (eta prime) và các pha liên quan. Cơ chế cứng hóa kết tủa này tạo ra giới hạn chảy và bền kéo rất cao so với các hợp kim dòng 1xxx–6xxx trong khi vẫn giữ được độ dai hợp lý khi được gia công để tăng khả năng chống gãy.

Đặc điểm chính của 7150 bao gồm tỷ lệ cường độ trên trọng lượng rất cao, khả năng chống nứt mỏi tốt khi được già hóa quá mức hoặc xử lý nhiệt - cơ học phù hợp, và khả năng chống ăn mòn ở mức vừa phải có thể cải thiện bằng cách già hóa quá mức và mạ phủ. Khả năng hàn và tính dẻo uốn giới hạn ở các trạng thái nhiệt luyện đỉnh, vì vậy trong thiết kế và gia công thường phải đánh đổi giữa khả năng tạo hình với cường độ và hiệu suất chống gãy.

Các ngành công nghiệp tiêu biểu bao gồm kết cấu chính và phụ hàng không vũ trụ, các chi tiết quốc phòng hiệu năng cao, và một số ứng dụng công nghiệp cường độ cao đòi hỏi giảm trọng lượng và độ bền vết thương quan trọng. Các kỹ sư lựa chọn 7150 khi tổ hợp giữa cường độ tĩnh cao, hiệu suất mỏi và độ dai chấp nhận được có ưu thế hơn so với tính hàn kém và chi phí vật liệu cao hơn các hợp kim phổ biến hơn.

Các Biến Thể Nhiệt

Trạng thái nhiệt	Cấp độ cường độ	Độ dài giãn	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao (20–30%)	Tuyệt vời	Khá	Ủ hoàn toàn để đạt độ dẻo dai và khả năng tạo hình tối đa; hiếm khi dùng cho rèn kết cấu
T6	Rất cao	Thấp–Trung bình (8–12%)	Giới hạn	Kém	Già hóa đỉnh để đạt cường độ tối đa; thường dùng cho chi tiết kết cấu nơi thành phần được tạo hình trước khi già hóa
T651	Rất cao	Thấp–Trung bình (8–12%)	Giới hạn	Kém	T6 cộng với quá trình giảm ứng suất bằng phương pháp kéo giãn; dùng cho các chi tiết chính xác để giảm ứng suất dư
T73	Cao	Trung bình (10–14%)	Giới hạn	Kém–Khá	Già hóa quá mức nhằm cải thiện khả năng chống nứt ăn mòn do ứng suất (SCC) với đánh đổi giảm cường độ đỉnh
T76 / T7451 / T7751	Trung bình–Cao	Trung bình (10–15%)	Giới hạn	Kém–Khá	Được thiết kế để cân bằng khả năng chống SCC, độ dai gãy và kiểm soát ứng suất dư cho các ứng dụng khung máy bay quan trọng

Trạng thái nhiệt ảnh hưởng mạnh đến sự cân bằng giữa cường độ, độ dai và khả năng chống ăn mòn của 7150. Trạng thái T6/T651 đạt cường độ tĩnh tối đa nhưng làm tăng độ nhạy với nứt ăn mòn do ứng suất và giảm tính dẻo, trong khi các trạng thái già hóa quá mức như T73 đánh đổi một phần cường độ để tăng đáng kể khả năng chống SCC và thường có độ dẻo cao hơn một chút.

Chu trình sản xuất và mục đích sử dụng quyết định lựa chọn trạng thái nhiệt: tạo hình các hình dạng chính ở trạng thái O hoặc trạng thái nguội sau đó xử lý nhiệt dung dịch và già hóa khi có thể, hoặc chọn trạng thái già hóa quá mức cho các chi tiết tiếp xúc với môi trường ăn mòn hoặc yêu cầu độ dai gãy cao hơn.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	≤ 0.12	Điều khiển lượng silic thấp nhằm giảm các pha liên kim và duy trì độ dai gãy
Fe	≤ 0.12	Giới hạn tạp chất; Fe cao có thể tạo pha liên kim giòn và giảm độ dai
Mn	≤ 0.05	Ít; không phải nguyên tố tăng cường chính trong hợp kim này
Mg	2.3–2.9	Nguyên tố chính tạo kết tủa với Zn tạo pha η′ giúp tăng cường độ
Cu	2.3–3.1	Tăng cường độ và độ cứng; cải thiện khả năng chống mỏi nhưng có thể làm tăng độ nhạy SCC
Zn	6.3–7.5	Nguyên tố hợp kim chính tạo cường độ đỉnh qua các pha kết tủa η/η′
Cr	≤ 0.04	Vi lượng; đôi khi có để điều chỉnh hành vi tại ranh giới hạt
Ti	≤ 0.08	Chất khử oxi và tinh chỉnh hạt trong quá trình đúc hoặc thỏi
Khác (Zr, V, v.v.)	Zr 0.08–0.20; các nguyên tố còn lại ở mức vi lượng	Bổ sung Zr nhằm tạo dispersoid kiểm soát tái kết tinh, cải thiện cấu trúc hạt và độ dai

Mỗi nguyên tố đóng vai trò cụ thể: Zn và Mg kết hợp tạo pha kết tủa η′ chịu trách nhiệm cho độ bền cao; Cu điều chỉnh thành phần và tốc độ hình thành kết tủa giúp cải thiện cường độ và khả năng chống mỏi nhưng tăng nguy cơ SCC; Zr cùng các nguyên tố vi lượng kiểm soát kích thước hạt và quá trình tái kết tinh trong quá trình gia công nhiệt - cơ và xử lý nhiệt dung dịch/làm nguội, nâng cao khả năng chịu tổn thương và cho phép cấu kiện dày giữ được các đặc tính mong muốn.

Tính Chất Cơ Lý

7150 thể hiện cường độ kéo và giới hạn chảy rất cao ở các trạng thái đã được già hóa thích hợp, kết hợp với độ dai gãy tốt và khả năng chống nứt mỏi khi được gia công để giảm thiểu pha kết tủa lớn tại ranh giới hạt. Hành vi ứng suất giới hạn dẻo thường tuyến tính - đàn hồi đến giới hạn chảy với vùng ổn định giới hạn chảy hạn chế; hợp kim có khả năng làm cứng biến dạng chấp nhận được đến điểm gãy nhưng độ giãn đồng đều thấp hơn trong trạng thái già hóa đỉnh.

Độ giãn dài tới gãy phụ thuộc rõ rệt vào trạng thái nhiệt và dạng sản phẩm; ở trạng thái ủ hoặc già hóa quá mức, độ dẻo được cải thiện, trong khi các tấm và sản phẩm rèn già hóa đỉnh có độ giãn thấp hơn và có thể dễ bị gãy giòn dưới điều kiện ứng suất cao. Độ cứng tương ứng với xu hướng cường độ kéo và thường dùng làm chỉ số kiểm soát tại nhà máy để xác nhận trạng thái nhiệt; phân bố độ cứng trên các tiết diện dày phản ánh hiệu quả làm nguội.

Độ dày và độ nhạy làm nguội ảnh hưởng mạnh đến sự phân bố đặc tính cơ học: các tấm và chi tiết đùn dày có xu hướng giảm tính chất ở vùng giữa do tốc độ làm nguội chậm hơn, trừ khi quá trình tinh chỉnh hạt và dispersoid Zr được tối ưu. Hiệu suất mỏi được cải thiện nhờ các pha kết tủa mịn, đồng đều và kiểm soát ứng suất dư qua các trạng thái nhiệt như T651/T7451.

Tính chất	O/Đã ủ	Trạng thái chính (T6 / T651)	Ghi chú
Giới hạn bền kéo	170–260 MPa	540–590 MPa	Giá trị T6/T651 điển hình cho sản phẩm rèn gia công tốt; giảm với tăng độ dày và già hóa quá mức
Giới hạn chảy	60–130 MPa	480–520 MPa	Giới hạn chảy cao làm 7150 phù hợp cho các chi tiết kết cấu chịu tải lớn
Độ giãn dài	20–30%	8–12%	Độ giãn giảm đáng kể ở trạng thái già hóa đỉnh; già hóa quá mức tăng nhẹ độ dẻo
Độ cứng (HB)	40–80 HB	150–175 HB	Độ cứng liên quan mật thiết tới cường độ và hữu ích cho kiểm tra đầu vào và xác nhận xử lý nhiệt

Tính Chất Vật Lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.81 g/cm³	Điển hình cho hợp kim Al‑Zn‑Mg‑Cu cường độ cao; có lợi cho thiết kế nhạy trọng lượng
Phạm vi nóng chảy	Solidus ≈ 477 °C; Liquidus ≈ 635 °C	Hợp kim làm rộng khoảng nóng chảy so với nhôm tinh khiết
Độ dẫn nhiệt	≈ 120–150 W/m·K	Giảm so với Al tinh khiết do hợp kim; đủ dùng cho nhiều ứng dụng kết cấu nhưng không tối ưu cho tản nhiệt hiệu năng cao
Độ dẫn điện	≈ 30–40 % IACS	Hợp kim làm giảm đáng kể độ dẫn điện so với nhôm nguyên chất
Nhiệt dung riêng	≈ 0.88–0.92 J/g·K (880–920 J/kg·K)	Giá trị trong phạm vi nhôm điển hình, phù hợp tính toán nhiệt lượng
Hệ số giãn nở nhiệt	≈ 23.0–24.0 ×10⁻⁶ /K	Tương tự các hợp kim nhôm gia công khác; quan trọng trong thiết kế mối ghép với vật liệu khác biệt

Tính chất vật lý phản ánh phạm vi sử dụng của hợp kim: mật độ thấp tương đối cung cấp độ bền riêng xuất sắc, nhưng hợp kim làm giảm độ dẫn nhiệt và điện so với nhôm nguyên chất và một số hợp kim dòng 5xxx/6xxx. Hệ số giãn nở nhiệt cần được cân nhắc khi lắp ghép vật liệu hỗn hợp vì chênh lệch giãn nở có thể tạo ra ứng suất tập trung và làm tăng nguy cơ mỏi.

Tính chất nhiệt và phạm vi nóng chảy kiểm soát chu trình xử lý nhiệt đồng thời quyết định môi trường làm nguội và nhiệt độ dụng cụ; độ dẫn nhiệt cũng ảnh hưởng đến việc gia nhiệt cục bộ trong quá trình gia công và hàn.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Tiêu Biểu	Hành Vi Cơ Lực	Độ Cứng Thông Dụng	Ghi Chú
Tấm (Sheet)	0.5–6.0 mm	Dễ bị làm mềm cục bộ nếu không lão hóa đúng cách	T6, T651, T73	Thường dùng cho lớp vỏ và tấm gia cường trong hàng không; gia công định hình thường được thực hiện trước khi lão hóa cuối cùng
Tấm dày (Plate)	>6 mm đến 150 mm	Độ nhạy đối với tôi tăng theo độ dày; có thể xảy ra vùng mềm ở giữa độ dày	T6, T651, T73	Tấm dày yêu cầu quy trình kiểm soát nghiêm ngặt và hợp kim chứa Zr để giữ lại tính chất
Đùn (Extrusion)	Hình cắt ngang đến biên dạng lớn	Tính chất có thể thay đổi theo độ dày và đường đi tôi	T6, T651, T76	Đùn được lợi từ làm nguội nhanh và phân tán Zr để đồng nhất tính chất
Ống (Tube)	Đường kính vài mm đến đường kính lớn	Độ dày thành ống kiểm soát quá trình tôi và gradient cơ học	T6, T73	Dùng cho ống hàng không và khung kết cấu với kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt
Thanh / Que (Bar/Rod)	Đường kính / tiết diện phụ thuộc	Lịch sử rèn và cán ảnh hưởng đến độ bền/độ dai	T6, T651	Thanh dùng cho chi tiết lắp áp lực cao và chi tiết gia công; quy trình tiền nhiệt và tôi rất quan trọng

Dạng sản phẩm không chỉ ảnh hưởng đến kích thước có thể cung cấp mà còn đến tính chất đạt được do động học quá trình tôi và lịch sử nhiệt cơ. Tấm và đùn mỏng dễ đạt được độ bền T6 mục tiêu hơn, trong khi tấm dày và rèn dày cần quy trình nhiệt cơ tùy chỉnh và kiểm soát phân tán (ví dụ: Zr) để ngăn vùng mềm ở giữa và giữ khả năng chống gãy.

Kỹ sư thiết kế cần phối hợp chuỗi công đoạn định hình, xử lý giảm ứng suất và lão hóa cuối cùng; định hình nên thực hiện trước khi xử lý nhiệt hòa tan và lão hóa cuối cùng khi có thể, và cần đặt biên độ gia công để cho phép kiểm soát nhiệt cục bộ và trạng thái bề mặt.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi Chú
AA	7150	USA	Định danh của Aluminum Association cho hợp kim rèn; được dùng rộng rãi trong các tiêu chuẩn hàng không
EN AW	Dòng 7xxx (không có số đơn lẻ trực tiếp)	Châu Âu	Không có tương đương chính xác EN một-một; cần chỉ định thành phần hóa học và độ cứng theo tiêu chuẩn AMS/EN
JIS	A7xxx (ước lượng)	Nhật Bản	Tiêu chuẩn Nhật tham chiếu hợp kim dòng 7000; tương đương cần phù hợp hóa học và độ cứng
GB/T	7A50 (ước lượng)	Trung Quốc	Hợp kim dòng 7A5x của Trung Quốc có tính chất gần giống; thay thế trực tiếp cần xác nhận theo tiêu chuẩn

Không có bảng tham chiếu hoàn hảo vì tiêu chuẩn từng khu vực đóng gói hóa học, giới hạn tạp chất và độ cứng cho phép khác nhau. Với các chi tiết hàng không quan trọng, kỹ sư cần so khớp phạm vi thành phần hóa học, quy trình xử lý nhiệt (bao gồm tốc độ tôi và giãn nở), cùng tiêu chí kiểm tra thay vì chỉ dựa vào tên mác danh nghĩa.

Khi mua hàng quốc tế, yêu cầu chứng chỉ vật liệu bao gồm thành phần chính xác, giá trị bền kéo/giới hạn chảy ở độ cứng cung cấp, và chi tiết xử lý nhiệt cũng như xử lý ứng suất cơ để đảm bảo tương đương về hiệu suất và cơ tính gãy.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

7150 thể hiện khả năng chống ăn mòn khí quyển trung bình so với hợp kim Al‑Mg cao cấp hơn; trong độ cứng phổ biến có thể hoạt động tốt khi được phủ sơn hoặc mạ chuyển hóa. Trong môi trường biển hoặc môi trường chứa ion chloride cao, nó nhạy hơn với ăn mòn điểm và ăn mòn liên kết hạt so với hợp kim 5xxx hoặc một số 6xxx trừ khi được lão hóa vượt mức hoặc phủ lớp bảo vệ.

Ứng suất ăn mòn (SCC) là vấn đề chính với hợp kim 7xxx cường độ cao. Độ cứng cực đại T6/T651 mang lại độ bền lớn nhất nhưng cũng nhạy cảm nhất với SCC; lão hóa vượt mức đến T73 hoặc chọn các độ cứng thiết kế để tăng khả năng chống SCC (ví dụ dòng T76) là phương pháp giảm thiểu phổ biến cho cấu trúc quan trọng.

Cần xem xét tương tác điện hóa khi 7150 tiếp xúc với vật liệu catốt cao hơn (thép không gỉ, titan): nhôm sẽ bị ăn mòn ưu tiên trừ khi được cách điện hoặc phủ lớp bảo vệ phù hợp. So với hợp kim dòng 6xxx (ví dụ 6061), 7150 đánh đổi khả năng chống ăn mòn sẵn có tốt hơn lấy bù lại là độ bền và hiệu suất mỏi cao hơn và nhạy hơn với ăn mòn môi trường nếu không có biện pháp bảo vệ.

Tính Năng Gia Công

Khả năng hàn

Hàn 7150 rất khó: hàn chảy (TIG/MIG) có thể gây mất cường độ nghiêm trọng ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và thường không khuyến khích dùng cho các chi tiết kết cấu chính. Khi cần hàn, vật liệu hàn đi kèm và quy trình xử lý nhiệt sau hàn phải được chọn kỹ; tuy nhiên phục hồi hoàn toàn tính chất cơ học của vật liệu gốc bằng hàn cục bộ thường không khả thi.

Hàn khuấy ma sát (FSW) và các phương pháp liên kết trạng thái rắn được ưu tiên vì hạn chế nóng chảy và bảo toàn nhiều đặc tính của hợp kim, dù vùng HAZ vẫn bị làm mềm. Các vật liệu hàn thường dùng trong liên kết nhôm (ví dụ 4043, 5356) không thể phục hồi tính chất cơ sở ban đầu và có thể tạo ra vấn đề tương tác điện hóa khác biệt.

Khả năng gia công cơ khí

Là hợp kim nhôm Al‑Zn‑Mg‑Cu cường độ cao, 7150 có khả năng gia công tốt so với thép nhưng đòi hỏi cao hơn hợp kim dòng 6xxx hoặc 5xxx do độ bền và độ dai lớn hơn. Dụng cụ gia công nên dùng mảnh carbide có góc cắt dương và tốc độ tiến dao cao để tránh tình trạng ma sát; tốc độ cắt điển hình khoảng 200–600 m/phút tùy loại phay/tiện và có dùng làm mát hay không.

Kiểm soát phoi tốt nếu sử dụng đúng hình dạng dụng cụ và làm mát; khác với một số thép không gỉ, hợp kim này không bị làm cứng khi gia công. Cần theo dõi bề mặt và mòn dụng cụ trên trạng thái cứng cực đại vì độ cứng cao có thể tăng tốc mài mòn.

Khả năng tạo hình

Định hình tốt nhất trong các độ cứng mềm hơn hoặc trước khi lão hóa cuối cùng vì điều kiện T6/T651 có tính dẻo thấp và độ đàn hồi lớn sau uốn. Bán kính uốn tối thiểu lớn hơn trong điều kiện cực đại; bán kính uốn điển hình cho chi tiết kết cấu gia công/định hình nên quy định an toàn (ví dụ >2–3× độ dày với uốn chặt ở độ cứng cao).

Định hình nguội theo sau là xử lý nhiệt hòa tan và lão hóa là phương pháp phổ biến để đạt hình dạng và tính chất cơ học cuối cùng; quy trình định hình nóng và định hình siêu dẻo hiếm khi dùng cho 7150 do độ nhạy với tôi và sự hình thành precipitate kiểm soát tính chất.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

Xử lý nhiệt hòa tan cho 7150 thường thực hiện trong khoảng 470–500 °C để hòa tan các nguyên tố hợp kim vào dung dịch rắn quá bão hòa đồng thời tránh nóng chảy cục bộ các thành phần có nhiệt độ nóng chảy thấp. Cần làm nguội nhanh về nhiệt độ phòng (hoặc thấp hơn) để giữ trạng thái quá bão hòa; kiểm soát tốc độ làm nguội rất quan trọng ở các tiết diện dày để tránh vùng mềm giữa độ dày.

Lão hóa nhân tạo theo sau quá trình làm nguội. Chu trình lão hóa T6 điển hình sử dụng nhiệt độ lão hóa trung gian (ví dụ, 120