Nhôm 7175: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn tôi luyện & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

7175 là một hợp kim nhôm cường độ cao thuộc dòng 7xxx, đặc trưng bởi kẽm là nguyên tố hợp kim chính. Hợp kim này được thiết kế chủ yếu cho ứng dụng hàng không vũ trụ và các kết cấu hiệu năng cao, nơi tỷ lệ cường độ-trọng lượng và khả năng chống mỏi là yếu tố quan trọng.

Các thành phần hợp kim chính bao gồm kẽm, magie và đồng, cùng với các nguyên tố vi lượng như crom, titan hoặc zirconium được sử dụng để kiểm soát cấu trúc hạt và quá trình tái tinh thể hóa. Các nguyên tố này tạo nên cấu trúc tăng cứng do kết tủa; 7175 là hợp kim có thể xử lý nhiệt, đạt được cường độ qua quá trình xử lý nhiệt hòa tan, làm nguội nhanh và lão hóa nhân tạo để tạo các kết tủa η (MgZn2) mịn.

Đặc điểm chính của 7175 bao gồm cường độ tĩnh rất cao và hiệu suất chống mỏi tốt trong phân khúc này, khả năng chống ăn mòn nội tại từ trung bình đến kém so với các hợp kim 5xxx/6xxx, tính hàn hạn chế và khả năng tạo hình giảm trong các trạng thái nhiệt luyện tối ưu. Các ngành công nghiệp tiêu biểu là kết cấu hàng không chính và phụ, thiết bị quốc phòng, và các phụ kiện chịu tải lớn yêu cầu hiệu quả cấu trúc tối đa. Kỹ sư thường chọn 7175 khi cường độ chịu kéo và giới hạn chảy tối đa cùng khả năng chống nứt mỏi quan trọng hơn các yêu cầu về dễ hàn, tạo hình hay chi phí vật liệu thấp nhất.

Các Biến Thể Nhiệt

Nhiệt Độ (Temper)	Mức Cường Độ	Độ Dãn Dài	Khả Năng Tạo Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao (20–30%)	Xuất sắc	Xuất sắc	Hoàn toàn tôi mềm để dễ tạo hình và giảm ứng suất
H112	Trung bình	Trung bình (10–15%)	Tốt	Trung bình	Dạng làm cứng biến dạng, dùng cho tạo hình hạn chế và ổn định
T6	Rất cao	Trung bình (6–12%)	Hạn chế	Kém	Xử lý nhiệt hòa tan và lão hóa nhân tạo đạt cường độ cực đại
T651	Rất cao	Trung bình (6–12%)	Hạn chế	Kém	T6 kèm xử lý giảm ứng suất bằng kéo căng; phổ biến cho tấm hàng không
T73	Cao (nhưng thấp hơn T6)	Cải thiện (8–14%)	Trung bình	Kém	Trạng thái quá lão hóa để cải thiện khả năng chống ăn mòn & nứt ăn mòn ứng suất
T7651	Cao	Trung bình	Hạn chế	Kém	Lão hóa kiểm soát trước và ổn định để tăng độ dai

Nhiệt độ xử lý có ảnh hưởng chính đến hiệu suất của 7175: các trạng thái lão hóa đạt cực đại (T6/T651) tối đa hóa cường độ kéo và chảy nhưng giảm độ dẻo và khả năng tạo hình, đồng thời tăng tính nhạy cảm với nứt ăn mòn ứng suất. Các phương pháp quá lão hóa như T73 giảm cường độ cực đại nhằm cải thiện đáng kể khả năng chống nứt ăn mòn và tăng độ dai vỡ, tạo ra sự đánh đổi giữa cường độ và độ bền môi trường.

Việc lựa chọn nhiệt độ xử lý trong sản xuất được quyết định bởi các yêu cầu đặc tính cuối cùng, các bước gia công hoặc tạo hình tiếp theo, và môi trường làm việc dự kiến; ví dụ, tấm phải giữ cường độ tĩnh cao với ứng suất dư thấp thường dùng T651, trong khi các chi tiết tiếp xúc môi trường ăn mòn có thể yêu cầu T73 hoặc hoàn thiện xử lý hóa học.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	≤ 0.10	Phần tạp; giảm hợp chất giữa kim loại và cải thiện độ sạch khi đúc
Fe	≤ 0.15	Phần tạp; dư thừa làm giảm độ dai và tăng khuyết tật
Mn	≤ 0.10	Nồng độ thấp; không phải nguyên tố chính tăng cường trong hợp kim 7xxx
Mg	2.0–2.9	Kết hợp với Zn tạo các kết tủa tăng cường MgZn2
Cu	1.2–2.0	Tăng cường độ và độ cứng; có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn
Zn	6.0–7.5	Nguyên tố chính đóng góp vào cường độ thông qua kết tủa Mg–Zn
Cr	0.10–0.30	Kiểm soát cấu trúc hạt và kết tinh lại, cải thiện độ dai
Ti	≤ 0.05	Tinh chỉnh hạt, dùng trong luyện ingot và gia công billet
Khác (Zr, V, cân bằng Al)	Vi lượng / Cân bằng	Zr hoặc các nguyên tố vi hợp kim khác có thể có để ổn định cấu trúc vi mô

Hệ thống kết tủa Zn–Mg–Cu chịu trách nhiệm cho cơ chế tăng cứng của 7175; kẽm và magie tạo các kết tủa pha η là yếu tố chính tăng cường, trong khi đồng tăng độ bền và ảnh hưởng đến hình thái kết tủa cũng như hành vi điện hóa. Crom cùng với lượng nhỏ zirconium hoặc titan kìm hãm sự phát triển hạt trong quá trình gia công và kiểm soát tái tinh thể hóa, điều này rất quan trọng để duy trì độ dai và khả năng chống mỏi trong các tiết diện dày.

Đặc Tính Cơ Học

7175 thể hiện cường độ kéo và giới hạn chảy rất cao ở trạng thái lão hóa cực đại, với đường cong kéo có điểm giới hạn chảy rõ rệt đi kèm độ dãn dài đồng đều hạn chế. Hợp kim có khả năng chống mỏi xuất sắc và chống khởi tạo nứt tốt khi được sản xuất với cấu trúc vi mô được kiểm soát và hàm lượng tạp chất thấp, phù hợp cho các chi tiết kết cấu chịu tải theo chu kỳ.

Giới hạn chảy và độ dãn dài phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ xử lý; T6/T651 đạt giá trị giới hạn chảy cao nhất nhưng giảm độ dẻo và độ dai, trong khi T73 giảm nhẹ giới hạn chảy nhưng cải thiện độ dai vỡ và khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất. Độ cứng có xu hướng tương tự với cường độ, các trạng thái lão hóa cực đại có độ cứng Brinell hoặc Rockwell tăng đáng kể so với trạng thái tôi mềm.

Độ dày và hình dạng sản phẩm ảnh hưởng đến đặc tính do khác biệt trong tốc độ làm nguội, ứng suất dư và cấu trúc hạt; các tấm dày và chi tiết rèn có thể yêu cầu các quy trình xử lý nhiệt cơ học chuyên biệt và chu trình lão hóa để đạt đặc tính đồng nhất qua chiều dày và hạn chế biến dạng hoặc ứng suất dư do làm nguội nhanh.

Đặc Tính	Trạng Thái O/Tôi Mềm	Nhiệt Độ Chính (T6 / T651)	Ghi Chú
Cường Độ Kéo	~240–320 MPa	~540–590 MPa	Giá trị cường độ kéo cực đại điển hình cho hợp kim 7xxx cấp hàng không
Giới Hạn Chảy	~120–220 MPa	~470–520 MPa	Giới hạn chảy tăng rõ rệt với lão hóa; phạm vi phụ thuộc hình dạng sản phẩm
Độ Dãn Dài	20–30%	6–12%	Độ dẻo giảm trong các trạng thái nhiệt luyện cường độ cao
Độ Cứng (HB)	~60–80 HB	~150–165 HB	Độ cứng tỷ lệ với mức tăng cường do kết tủa

Đặc Tính Vật Lý

Đặc Tính	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	2.80–2.82 g/cm³	Đặc trưng cho hợp kim nhôm cường độ cao
Phạm Vi Nhiệt Độ Nóng Chảy	~477–635 °C	Solidus ~477–490 °C, liquidus gần nhôm tinh khiết ~635 °C
Độ Dẫn Nhiệt	~120–140 W/(m·K)	Thấp hơn nhôm tinh khiết do hợp kim; nhưng vẫn cao so với thép
Độ Dẫn Điện	~30–40 % IACS	Giảm so với nhôm hợp kim thấp do các nguyên tử hòa tan
Nhiệt Dung Riêng	~0.90 kJ/(kg·K)	~900 J/(kg·K) ở nhiệt độ phòng
Hệ Số Giãn Nhiệt	~23–24 µm/(m·K)	Hệ số tương tự các hợp kim nhôm khác; cần lưu ý khi thiết kế mối ghép bulong

Mặc dù hàm lượng hợp kim cao, 7175 vẫn giữ được độ dẫn nhiệt tốt so với thép, cho phép khả năng tản nhiệt vừa phải trong một số ứng dụng, tuy nhiên hiệu suất nhiệt vẫn kém hơn nhôm nguyên chất. Độ dẫn điện giảm do sự tán xạ của các nguyên tử hòa tan; 7175 không được ưu tiên trong các yêu cầu dẫn điện chính yếu. Sự kết hợp của mật độ tương đối thấp và cường độ cao tạo nên tỷ lệ cường độ trên trọng lượng xuất sắc, đây là lý do chính để hợp kim này được lựa chọn trong các vai trò kết cấu hiệu năng cao.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Tiêu Biểu	Hành Vi Độ Bền	Độ Cứng Thường Gặp	Ghi Chú
Tấm	0.5–6 mm	Độ bền tốt ở các độ dày mỏng; khả năng tạo hình có thể bị hạn chế	O, H112, T6	Sử dụng cho cấu trúc phụ; không lý tưởng cho dập nặng ở trạng thái T6
Thép tấm dày (Plate)	6–150+ mm	Độ bền thay đổi theo độ dày do nhạy cảm với quá trình tôi	T651, T73	Thép tấm cấu trúc hàng không được sản xuất với kiểm soát nghiêm ngặt về tôi và lão hóa
Đùn (Extrusion)	Hạn chế	Khả năng thương mại hạn chế; độ bền phụ thuộc vào mặt cắt	T6, T73 (hiếm)	Các thanh đùn nhôm 7xxx ít phổ biến; yêu cầu quá trình đồng đều hóa cẩn thận
Ống	Đa dạng	Có thể đạt độ bền cao trong ống kéo/gia công	T6, T651 (gia công)	Sử dụng cho các phụ kiện chịu tải cao; hàn và liên kết bị giới hạn
Thanh/Trục	Đường kính lên tới 200 mm	Tính chất trục tốt nếu xử lý nhiệt đúng cách	T6, T73	Dùng để rèn, gia công máy và các chốt hoặc phụ kiện chịu tải lớn

Khác biệt trong quy trình gia công tạo ra cấu trúc vi mô khác nhau: tấm và thép tấm thường được sản xuất bằng phương pháp cán và yêu cầu kiểm soát quá trình tôi chính xác để tránh quá lão hóa hoặc vùng mềm; trong khi các chi tiết rèn và thanh có thể sử dụng các chu trình đồng đều hóa và tôi khác để kiểm soát kích thước hạt. Đùn và các biên dạng phức tạp ít phổ biến với 7175 do xu hướng nứt nóng và tái kết tinh, do đó hợp kim dòng 6xxx được ưu tiên khi cần các hình dạng đùn phức tạp.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	7175	USA	Chỉ định của Aluminum Association cho thành phần hợp kim
EN AW	7175	Châu Âu	EN AW-7175 dùng trong các tiêu chuẩn châu Âu; nguồn gốc quy trình ảnh hưởng tới bảng tính chất
JIS	A7175	Nhật Bản	Cùng thành phần; JIS thường có thêm kiểm soát sản xuất
GB/T	2A7175 / 7175	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc đề cập đến khoảng thành phần và cơ tính tương đương AA 7175

Sự khác biệt tinh tế giữa các tiêu chuẩn khu vực thường liên quan đến dung sai thành phần cho phép, các trạng thái nhiệt được chỉ định, và quy trình thử nghiệm chứ không phải sự khác biệt lớn về hóa học. Quá trình sản xuất (đúc ingot so với đúc liên tục và đồng đều hóa) cùng với thói quen xử lý nhiệt quốc gia có thể dẫn đến khác biệt nhỏ về mức tạp chất, kiểm soát cấu trúc hạt và tính chất cơ học điển hình; kỹ sư nên chỉ định hiệu suất cơ học và môi trường yêu cầu thay vì chỉ dựa vào tên mác nominal.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

Trong điều kiện khí quyển, 7175 có khả năng chống ăn mòn trung bình nhưng kém hơn so với các hợp kim 5xxx và nhiều hợp kim 6xxx do hàm lượng đồng cao, làm tăng hoạt tính điện hóa. Trong môi trường sạch, sơn phủ hoặc bảo vệ khác, hiệu suất chấp nhận được cho nhiều ứng dụng cấu trúc, nhưng hợp kim có lợi khi được phủ lớp vỏ bảo vệ (alclad) hoặc lớp chuyển đổi bền vững khi tiếp xúc khí quyển lâu dài.

Môi trường biển hoặc phun muối làm tăng tốc độ pitting và ăn mòn hạt trong các hợp kim 7xxx có độ bền cao; 7175 dễ bị ăn mòn cục bộ trừ khi được xử lý qua lão hóa quá mức (T73) hoặc phủ lớp bảo vệ và chất bịt kín. Thiết kế liên kết và bulong cần hạn chế khe hở và sử dụng bảo vệ hi sinh hoặc vật liệu cách điện khi có kim loại khác loại tiếp xúc.

Nứt ăn mòn ứng suất (SCC) là nguy cơ đã biết với các trạng thái nhiệt độ cứng cao của hợp kim 7xxx, đặc biệt khi có dư ứng suất kéo và môi trường ăn mòn. Lão hóa quá mức, xử lý nhiệt sau hàn và kiểm soát bề mặt nghiêm ngặt là các biện pháp giảm thiểu phổ biến. Tương tác galvanic với thép hoặc các hợp kim chứa đồng là bất lợi; thiết kế nên tránh tiếp xúc trực tiếp với vật liệu quý hơn hoặc cung cấp cách điện.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

Hàn 7175 là thách thức; hàn nung chảy (TIG/MIG) thường làm giảm mạnh độ bền vùng ảnh hưởng nhiệt và có nguy cơ nứt nóng cao. Khi hàn là bắt buộc, có thể sử dụng các loại que hàn đặc biệt và kiểm soát nhiệt nghiêm ngặt trước và sau hàn, nhưng liên kết bằng đinh tán, bu lông hoặc keo kết dính được ưu tiên để giữ nguyên vẹn cấu trúc. Vùng mềm do ảnh hưởng nhiệt thường cần gia cố cơ học cục bộ hoặc xử lý sau hàn, khó áp dụng mà không làm giảm các tính chất khác.

Khả năng gia công cơ khí

Ở các trạng thái nhiệt độ cứng cao, 7175 gia công tốt so với nhiều loại thép nhờ mật độ thấp và khả năng cắt gãy phoi tốt, nhưng độ mòn dụng cụ sẽ cao do độ cứng và độ cứng làm việc. Dụng cụ carbide, kẹp cố định chắc chắn và chế độ chạy cắt bảo toàn với góc dao dương được khuyến nghị; làm mát quan trọng để duy trì kích thước và giảm bavia. Chỉ số gia công thường thấp hơn so với hợp kim nhôm 2xxx nhưng cạnh tranh với các hợp kim 7xxx khác.

Khả năng tạo hình

Gia công tấm hiệu quả nhất ở trạng thái mềm annealed (O) hoặc làm cứng biến dạng (H); kéo sâu và dập phức tạp không thực tiễn ở T6/T651 nếu không xử lý anneal hoặc dùng kỹ thuật tạo hình nóng trước. Bán kính uốn nên lớn hơn so với các hợp kim mềm hơn, độ hồi đàn hồi (springback) cao do giới hạn chảy lớn. Gia công nguội tăng cường độ hơn nữa và có thể dùng để đạt cơ tính mục tiêu khi kết hợp với chu trình lão hóa phù hợp.

Ứng Xử Xử Lý Nhiệt

Quá trình xử lý nhiệt dung dịch cho 7175 thường thực hiện trong khoảng 470–480 °C để hòa tan pha làm cứng vào dung dịch rắn; thời gian ở nhiệt độ và độ dày chi tiết quyết định quá trình đồng đều hóa. Làm nguội nhanh cần thiết để giữ các nguyên tử hòa tan trong dung dịch quá bão hòa; tốc độ làm nguội không đủ sẽ hình thành kết tủa thô và làm giảm độ bền và độ dai đạt đỉnh.

Lão hóa nhân tạo cho trạng thái T6 thường được thực hiện khoảng 120–140 °C với thời gian điều chỉnh theo độ dày để tạo sự phân tán mịn các kết tủa pha η và tối đa hóa độ bền. Các xử lý quá lão hóa (T73) dùng nhiệt độ lão hóa cao hoặc thời gian kéo dài để làm kết tủa thô hơn, đổi lấy giảm một phần độ bền nhưng cải thiện đáng kể khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất và độ dai.

Chuyển đổi trạng thái T nhạy với biến dạng nguội trước đó, tốc độ làm nguội và mức tạp chất; kéo có kiểm soát (để tạo T651) giảm ứng suất dư và cải thiện ổn định kích thước nhưng yêu cầu các thông số kiểm soát chặt chẽ để duy trì cơ tính mong muốn. Quy trình ổn định sau xử lý nhiệt và lịch trình dung dịch/lão hóa thường được quy định cho các ứng dụng hàng không trọng điểm.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

7175 giảm độ bền đáng kể khi nhiệt độ tăng; nhiệt độ làm việc trên ~120 °C làm giảm sức cứng do kết tủa và suy giảm giới hạn chảy cũng như độ bền kéo rõ rệt. Khả năng chống creep ở nhiệt độ cao hạn chế so với các hợp kim chịu nhiệt; tải trọng lâu dài trên 100–125 °C cần được xác minh về ổn định kích thước và tuổi thọ.

Oxy hóa không phải là nguyên nhân chính gây hỏng ở nhiệt độ làm việc thông thường, nhưng quá trình nhiệt làm tăng quá lão hóa và thay đổi phân phối kết tủa, làm giảm tuổi thọ mỏi và kháng nứt ăn mòn ứng suất. Vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn đặc biệt dễ mất độ bền và nên tránh dùng làm chi tiết chịu tải cao ở nhiệt độ cao.

Ứng Dụng

Ngành	Ví dụ Thành Phần	Lý Do Sử Dụng 7175
Hàng không	Phụ kiện thân máy bay, phụ kiện chịu tải giữa cánh	Độ bền riêng biệt và khả năng chống mỏi xuất sắc cho kết cấu chính
Quân sự	Chi tiết rèn cấu trúc chịu tải cao và giá đỡ vũ khí	Độ bền tĩnh và độ dai cao trong các trường hợp tải nặng
Ô tô	Thành phần khung xe hiệu suất cao (hạn chế)	Tỷ lệ cường độ/trọng lượng cho hiệu suất và đua
Hàng hải	Giá đỡ và phụ kiện cấu trúc (có bảo vệ)	Độ bền trên trọng lượng tốt nếu có bảo vệ chống ăn mòn
Điện tử	Khung cấu trúc	Mô đun đàn hồi và độ cứng cao cho khung nhẹ (vai trò tản nhiệt hạn chế)

7175 được lựa chọn khi hiệu suất cấu trúc, tuổi thọ mỏi và độ dai gãy dưới tải tĩnh cao là yêu cầu chính; việc sử dụng tập trung chủ yếu trong hàng không và quốc phòng, nơi chi phí vật liệu được biện minh bằng hiệu suất. Hoàn thiện bảo vệ và thiết kế thận trọng chống nứt ăn mòn ứng suất là tiêu chuẩn khi sử dụng hợp kim ngoài môi trường kiểm soát.

Gợi Ý Lựa Chọn

Sử dụng 7175 khi mục tiêu thiết kế là đạt độ bền và khả năng chống mỏi tối đa, đồng thời đã có chiến lược sản xuất và bảo vệ chống ăn mòn để quản lý giới hạn trong liên kết và môi trường. Chỉ định trạng thái T6/T651 cho độ bền tĩnh cao nhất và T73 hoặc các trạng thái quá lão hóa khác khi độ bền môi trường và chống nứt ăn mòn ứng suất là yếu tố thiết yếu.

So với nhôm tinh khiết thương mại (ví dụ: 1100), hợp kim 7175 đổi lấy sức bền và khả năng chống mỏi cao hơn nhiều để đổi lấy độ dẫn điện và khả năng tạo hình giảm; chọn 1100 khi độ dẫn điện và khả năng dập sâu là yếu tố then chốt và tải trọng thấp. So với các hợp kim làm cứng bằng cách biến dạng như 3003 hoặc 5052, 7175 cung cấp sức bền đáng kể cao hơn nhưng thường có khả năng tạo hình kém hơn và tiềm năng chống ăn mòn kém hơn trong môi trường chứa chloride; lựa chọn 5052/3003 cho các chi tiết không kết cấu có yêu cầu tạo hình cao hoặc tiếp xúc với môi trường biển. So với các hợp kim 6xxx có thể xử lý nhiệt như 6061/6063, 7175 đạt được sức bền cực đại và hiệu suất chống mỏi cao hơn nhưng đi kèm chi phí lớn hơn và khả năng hàn kém hơn; ưu tiên 6061 khi cần hàn, kinh tế và sức bền ở mức vừa phải.

Tóm tắt cuối

7175 vẫn là vật liệu chủ lực cho các ứng dụng kết cấu hiệu suất cao, nơi yêu cầu tỷ lệ sức bền trên khối lượng và khả năng chống mỏi hàng đầu, đồng thời quá trình sản xuất có thể đáp ứng được giới hạn về khả năng hàn và tính nhạy cảm với ăn mòn của vật liệu. Với việc lựa chọn trạng thái xử lý nhiệt phù hợp, bảo vệ bề mặt và chú ý thiết kế đến việc ghép nối cũng như tập trung ứng suất, 7175 cung cấp sự kết hợp hiệu suất cơ học khó có thể sánh bằng với các loại nhôm hợp kim thấp hơn hoặc không thể xử lý nhiệt.