7xxx series aluminum alloys

Самые прочные алюминиевые сплавы

Сплавы серии 7ххх являются самыми прочными среди всех алюминиевых сплавов (рисунок 1). Однако у них есть большой недостаток – они склонны к коррозии под напряжением. Основные легирующие элементы – от 1 до 9 % цинка (чаще всего от 4 до 6 %), от 1 до 3 % магния, а также, для некоторых сплавов – до 3,0 % меди, алюминий – все остальное. Эти сплавы упрочняются термической обработкой.

Важные области применения этих сплавов связаны с их высокой прочностью. Это – аэрокосмическая техника, военная техника и оборудование атомной энергетики. Кроме того, они имеют применение в строительстве, а также для изготовления спортивного инвентаря, например, лыжных палок и теннисных ракеток.

Рисунок  1 – Рейтинг прочности популярных алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы серии 7ххх

Растворимость цинка в алюминии снижается от 31,6 % при 275 ºС до 5,6 % при 125 ºС (рисунок 2). Промышленные сплавы серии 7ххх содержат цинк, магний и медь с небольшими добавками марганца и хрома, а также циркония для контроля роста зерна и рекристаллизации.

Рисунок 2 – “Алюминиевый” участок фазовой диаграммы алюминий-цинк [2]

Алюминиевые сплавы серии 7ххх применяют для изготовления несущих элементов самолетов, таких как верхние оболочки крыльев, стрингеры, горизонтальные и вертикальные стабилизаторы. Горизонтальные и вертикальные стабилизаторы имеют такие же конструкционные критерии как и крылья. Верхняя и нижняя поверхности горизонтального стабилизатора испытывают изгиб и для них критическим является сжимающее нагружение. Поэтому модуль упругости на сжатие является наиболее важным свойством. Критическими конструкционными параметрами компонентов верхней части крыла являются прочность на сжатие и сопротивление усталости.

Самые прочные сплавы серии 7ххх

Все алюминиевые сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu проявляют самую высокую прочность. Добавление 2 % меди в комбинации с магнием и цинком значительно повышает прочностные свойства сплавов серии 7ххх.

Самые высокие величины прочности на растяжение, какие только могут быть у алюминиевых сплавов, имеют следующие сплавы:

• 7075: 5,5 % цинка – 2,5 % магния – 1,5 % меди;
• 7079: 4,3 % цинка – 3,3 % магния – 0,6 % меди;
• 7178: 6,8 % цинка – 2,7 % магния – 2,0 % меди.

Сплав 7075-Т6 имеет очень высокую отношение прочность-вес, низкую стоимость производства и хорошую механическую обрабатываемость. Поэтому он является предпочтительным при выборе материала для конструкционных элементов самолетов. Вместе с тем, сплав 7075 имеет довольно низкое сопротивление коррозии. Склонность этого сплава к коррозионному растрескиванию под напряжением может контролироваться должной термической обработкой и добавками некоторых материалов, таких как хром.

Fig. 3 – Stress-Strain Curves of Aluminium 7075-T6 in Comparision
with Various Metals and Alloys [3]

Fig. 4 – Density-Related Strength of Aluminium 7075-T6 in Comparision
with Various Metals and Alloys [3]

Алюминиевый сплав 7075

Состояние Т6

Сплав 7075 – сплав Al-Zn-Mg-Cu-Cr – имеет наиболее широкое и длительное применение из всех сплавов серии 7ххх. Он был введен в Японии в 1943 году, был большим секретом и применялся для изготовления японских военных самолетов. Сплав 7075 первоначально применялся для деталей и компонентов с тонким поперечным сечением, в основном в виде листов и прессованных профилей. Для этих изделий скорость закалки обычно очень высокая и растягивающие напряжения не возникают в коротком поперечном направлении. Поэтому коррозионное растрескивание под напряжением не является проблемой для таких материалов с высокопрочном состоянии Т6.

Однако, когда сплав 7075 применяется в изделиях и деталях больших размеров и большой толщины, становится ясно, что такие изделия и детали, термически упрочненные до состояний Т6, часто не отвечают заданным требованиям. Изделия, которые получали путем большой механической обработки из крупных поковок, прессованных профилей или плит, затем подвергались длительным растягивающим напряжениям при неблагоприятной ориентации. В таких условиях в эксплуатации довольно часто возникало коррозионное растрескивание под напряжением (коррозия под напряжением).

Состояние Т73

Решением этой проблемы было введение состояния Т73 для толстых и массивных изделий из сплава 7075. термическая обработка, которая применяется для получения этого состояния, требует двухстадийного искусственного старения. Вторая стадия выполняется при более высокой температуре, чем та, которая применяется для достижения состояния Т6. Эта дополнительная термическая обработка снижает прочность до уровня ниже того, которого сплав 7075 достигает в состоянии Т6.

Состояния Т7 достигается перестариванием, что означает, что старение сплава продолжается после достижения пика значений его твердости и прочности, в отличие от состояний Т6.

Многочисленные эксперименты и длительный опыт эксплуатации подтвердили, что сплав 7075-Т73 имеет значительно более высокое сопротивление коррозии под напряжением, по сравнению со сплавом 7075-Т6.

Интересно, что колеса знаменитого марсохода Curiosity сделаны из сплава 7075-Т7351 с помощью механической обработкой из цельного кованого кольца (рисунок 5).

(а)

Рисунок 5 – Колесо марсохода Curiosity из алюминиевого сплава 7075-Т7351:
а – на Земле; б – в условиях эксплуатации на Марсе

Влияние магния

Большая часть сплавов серии 7ххх включает магний для повышения эффективности механизма упрочнения за счет старения. Главной упрочняющей фазой выступают частицы MgZn₂. Такие сплавы имеют среднюю прочность, но относительно легко свариваются, например, сплав 7005. Сплавы Al-Zn-Mg имеют более высокую восприимчивость к термической обработке, чем бинарные сплавы Al-Zn, что обеспечивает им более высокую прочность.

Влияние меди

Добавление меди сплавам Al-Zn-Mg вместе с небольшими количествами хрома и марганца дает этим сплавам самую высокую прочность из всех известных алюминиевых сплавов.  Сплавы четверной системы Al-Zn-Mg-Cu имеют самый высокий потенциал упрочнения старением из всех алюминиевых сплавов: у некоторых сплавов предел прочности достигает 600 МПа, как, например, у сплава В95, и даже 700 МПа, как у сплава В96. Однако чрезмерное повышение содержания цинка и магния снижает вязкие свойства и сопротивление коррозии под напряжением. В этих сплавах цинк и магний управляют процессом старения, тогда как роль меди заключается в увеличении скорости старения и повышении чувствительности к закалке. Хотя медь снижает общую стойкость к коррозии, она повышает сопротивление коррозии под напряжением. 

Источники:

1. Aluminum and Aluminum Alloys /J. R. Davis, ASM, 1993
2. Trends in aluminium alloy development /R. Rajan at al – Rev. Adv. Mater. Sci. 44 (2016) 383-397
3. TALAT 1501

Подробно о состояниях алюминиевых сплавов:

Introduction to Aluminum Alloys and Tempers – J. Gilbert Kaufman