A liga de alumínio 7050 é uma liga de alta resistência comumente usada em aplicações aeroespaciais. Na forma de pó, a liga de alumínio 7050 oferece vantagens exclusivas para a manufatura aditiva e a metalurgia do pó. Este artigo fornece uma visão detalhada sobre Pó de liga de alumínio 7050incluindo suas propriedades, aplicações e métodos de processamento.
Uma introdução à liga de alumínio 7050
A liga de alumínio 7050, também conhecida como AA7050, pertence à série 7xxx de ligas de alumínio. Ela contém zinco, magnésio, cobre, zircônio e outros elementos de liga que lhe conferem resistência superior em comparação com ligas mais convencionais, como a 6061.
Os principais elementos de liga do alumínio 7050 são:
- Zinco: até 6,2%
- Magnésio: 2,0-2,6%
- Cobre: 1,7-2,4%
- Zircônio: 0,08-0,15%
Pequenas quantidades de ferro, silício, manganês e titânio também podem estar presentes.
A combinação desses elementos de liga permite que o alumínio 7050 atinja uma resistência máxima à tração de 530-570 MPa na têmpera T6. Ele também tem excelente resistência a rachaduras por corrosão sob tensão em comparação com outras ligas 7xxx.
Algumas das principais propriedades do alumínio 7050 incluem:
- Alta relação resistência/peso
- Boa resistência à fratura
- Excelente resistência à fadiga
- Boa resistência à corrosão
- Alta condutividade térmica
- Boa usinabilidade
A resistência do alumínio 7050 se aproxima de muitos aços e, ao mesmo tempo, mantém a natureza leve do alumínio. Isso o torna a escolha ideal para aplicações estruturais aeroespaciais que visam à economia de peso.
Aplicações da liga de alumínio 7050
As características excepcionais de resistência e tolerância a danos do alumínio 7050 o tornam adequado para as seguintes aplicações:
Estruturas aeroespaciais
As têmperas de maior resistência do alumínio 7050, como a T7451 e a T7651, são amplamente usadas em peças estruturais de aeronaves, como capas de asas, nervuras, longarinas e estruturas. Sua combinação de leveza e resistência ajuda a reduzir o peso total da aeronave.
Componentes como anteparos, revestimentos da fuselagem e peças do trem de pouso também utilizam o alumínio 7050. Ele pode suportar as cargas repetidas que ocorrem durante a operação da aeronave.
Conexões aeroespaciais
O alumínio 7050-T7451 é usado para fabricar conexões de alta resistência para sistemas aeroespaciais. Isso inclui conexões para sistemas hidráulicos, de combustível, pneumáticos e outros componentes.
A liga oferece uma alternativa ao titânio e ainda proporciona o desempenho mecânico necessário. Ela permite que os engenheiros reduzam os custos das peças e a complexidade da fabricação.
Quadros de motocicletas e bicicletas
A natureza leve e a boa resistência à fadiga do alumínio 7050 fizeram com que ele fosse usado em quadros de motocicletas e bicicletas premium. Marcas como a Cannondale usam tubos de liga 7050 para construir quadros para ciclismo de competição.
A liga proporciona um quadro que é leve e capaz de suportar as tensões repetidas da pedalada e da vibração da estrada. A liga avançada permite melhor aceleração, capacidade de escalada e manuseio.
Peças de chassi e suspensão automotivas
O alumínio 7050 às vezes é empregado em aplicações automotivas de desempenho em que a redução do peso não suspenso é uma prioridade. Isso inclui braços de suspensão, cubos, articulações e outros componentes do chassi.
A resistência da liga permite o uso de seções mais finas e leves. Ela também suporta as cargas e vibrações sofridas pelas peças da suspensão durante milhões de ciclos.
Aplicações marinhas e nucleares
A excelente resistência à rachadura por corrosão sob tensão do alumínio 7050 o torna útil para equipamentos marítimos e de usinas nucleares. Ele pode funcionar de forma confiável em ambientes corrosivos de água salgada e radioativos comuns nesses setores.
Manufatura Aditiva
Como pó, o alumínio 7050 é ideal para técnicas de manufatura aditiva, como a fusão seletiva a laser (SLM) e a fusão por feixe de elétrons (EBM). Isso permite que peças complexas e leves de 7050 sejam impressas em 3D para aplicações aeroespaciais e outras.
As partículas de pó fino e uniforme promovem boa fluidez, espalhabilidade e qualidade metalúrgica nos componentes impressos finais.
Propriedades da liga de alumínio 7050
É importante conhecer as propriedades do AA7050 ao considerá-lo para aplicações estruturais:
Força
Em temperaturas de pico de envelhecimento, como a T7651, o alumínio 7050 tem uma resistência máxima à tração de cerca de 570 MPa e resistência ao escoamento de 505 MPa. Isso é significativamente mais alto do que o 6061-T6, que tem resistência máxima e resistência ao escoamento de 310 MPa e 275 MPa, respectivamente.
A resistência da chapa de liga 7050 pode diminuir ligeiramente durante a soldagem devido ao amolecimento localizado na zona afetada pelo calor. Procedimentos de soldagem adequados são usados para minimizar esse efeito.
Robustez
O alumínio 7050 mantém uma resistência razoavelmente boa para uma liga de alumínio, mas não atinge os níveis de outras ligas comuns, como 5083 e 5454. Seções mais espessas serão mais sensíveis a entalhes.
O aumento dos níveis de resistência também se correlaciona com a redução da resistência. Portanto, o 7050-T7651 terá menor resistência do que o 7050-T7451.
Resistência à fadiga
Uma das principais vantagens do alumínio 7050 é sua excelente resistência à fadiga. Ele tem resistência superior a cargas cíclicas em comparação com outras ligas 7xxx. Isso lhe confere maior tolerância a danos e uma longa vida útil.
As microestruturas de grão fino e o shot peening são empregados para melhorar ainda mais o desempenho em fadiga das peças acabadas de 7050. A liga é capaz de suportar mais de 500.000 ciclos de estresse de fadiga em aplicações aeroespaciais.
Resistência à fratura
O alumínio 7050 possui uma resistência à fratura razoavelmente boa graças aos mecanismos de embotamento da ponta da trinca. Valores de 35-40 MPa√m são típicos para seções de placas mais espessas.
Novamente, esse nível de resistência à fratura ainda é inferior ao das ligas da série 5xxx, que podem atingir níveis de resistência à fratura acima de 60 MPa√m.
Resistência à corrosão
Nas têmperas T7 de idade máxima, o alumínio 7050 oferece boa resistência à esfoliação e à corrosão sob tensão (SCC). Ele supera as outras ligas 7xxx nesse aspecto.
Ele se baseia no cobre e no zircônio em solução sólida para melhorar a resistência ao SCC. Um bom processamento é importante para redistribuir adequadamente esses elementos.
A resistência geral à corrosão do 7050 é moderada. O revestimento com alumínio de alta pureza ou a anodização são usados para melhorar o desempenho à corrosão quando necessário.
Soldabilidade
A soldabilidade do alumínio 7050 é considerada boa com o uso de soldagem a arco de metal a gás (GMAW) ou soldagem a arco de tungstênio a gás (GTAW). A resistência da solda normalmente atinge 60-80% do metal de base.
É preciso tomar cuidado com a possível distorção e a formação de rachaduras na zona afetada pelo calor durante a soldagem. Recomenda-se o pré-aquecimento para diminuir a taxa de resfriamento.
A soldagem por fricção também pode produzir soldas 7050 de alta qualidade quando adequadamente otimizada. O tratamento térmico pós-soldagem pode ser usado para recuperar as propriedades de têmpera.
Condutividade térmica
A condutividade térmica do alumínio 7050 é moderadamente alta, em torno de 121 W/m.K, mas inferior à das ligas 1xxx mais puras. Isso favorece a dissipação de calor em aplicações eletrônicas e de gerenciamento de calor.
Usinabilidade
O alumínio 7050 tem boa usinabilidade para uma liga de alta resistência, embora ainda seja inferior às ligas 5xxx e 6xxx. A seleção adequada de ferramentas e os parâmetros de usinagem são usados para levar em conta a maior resistência.
As ferramentas de corte exigem resistência adequada para suportar as altas tensões geradas durante a usinagem. Configurações rígidas da máquina também são importantes para evitar possíveis problemas de vibração.
Temperaturas para alumínio 7050
Para obter o desempenho ideal, o alumínio 7050 é tratado termicamente em diferentes temperaturas, dependendo da aplicação:
- T7351 - Essa têmpera oferece resistência média a alta com alguma ductilidade e tenacidade. Os níveis típicos de resistência à tração estão em torno de 490 MPa.
- T7451 - A têmpera T7451 oferece a mais alta resistência e, ao mesmo tempo, mantém uma ductilidade e uma resistência à fratura razoáveis. A resistência à tração atinge aproximadamente 520 MPa.
- T7651 - A resistência máxima para aplicações críticas de tolerância a danos é obtida com o uso da têmpera T7651. A resistência à tração é elevada para cerca de 570 MPa.
- T736 - Essa têmpera é envelhecida em excesso para melhorar a tenacidade à fratura e a resistência à corrosão, reduzindo ligeiramente a resistência. Níveis de resistência à tração de aproximadamente 400 MPa são alcançados com o T736.
OsNums indicam a sequência de tratamentos térmicos básicos:
- 7xxx = Tratamento térmico de solução + têmpera
- 3xx = Estiramento após a têmpera
- 5x ou 6x = Envelhecimento artificial
O alongamento ajuda a melhorar a resistência à fratura nas têmperas T7451 e T7651. A duração e a temperatura do envelhecimento controlam o equilíbrio entre resistência e tenacidade.
Processamento da liga de alumínio 7050
Para obter o equilíbrio ideal de propriedades, a liga de alumínio 7050 deve ser cuidadosamente processada por meio das seguintes etapas principais:
Derretimento
A fusão ao ar não é recomendada para a liga 7050 devido ao alto risco de oxidação e captação de hidrogênio. A fusão por indução a vácuo é usada predominantemente. A alta fluidez durante a fundição é obtida com temperaturas de fusão de cerca de 750°C.
A desgaseificação com argônio ou nitrogênio é fundamental para minimizar a porosidade. A fusão sob um gás de cobertura inerte reduz ainda mais a absorção de hidrogênio.
Refinadores de grão, como titânio e boro, são adicionados para melhorar a estrutura do grão fundido. O zircônio também pode ser adicionado à massa fundida para melhorar ainda mais as propriedades de tração.
Formação
A maior resistência do alumínio 7050 significa que é necessária mais potência para os processos de trabalho a quente e de conformação. Normalmente, são usadas temperaturas na faixa de 370 a 440°C.
O resfriamento deve ser rápido o suficiente para obter grãos mais finos e propriedades ideais. Mas não muito rápido para evitar rachaduras por têmpera. Para a produção de chapas, recomenda-se uma temperatura de acabamento de laminação a quente acima de 260°C.
As extrusões também exigem calor suficiente durante a formação para evitar pontos fracos locais associados a temperaturas mais baixas de extrusão.
Tratamento térmico de solução
O tratamento térmico de solução dissolve as partículas solúveis, como CuAl2 e MgZn2, em uma solução sólida. Ele é realizado aquecendo-se o alumínio 7050 a 465-485°C por cerca de 1 hora antes da têmpera com água.
Taxas lentas de aquecimento e resfriamento são usadas para minimizar a distorção e as tensões térmicas durante o tratamento. A modificação da têmpera com intensidade de resfriamento reduzida também pode ser aplicada para minimizar as rachaduras de têmpera.
Trabalho a frio
O alumínio 7050 é frequentemente submetido a um trabalho a frio de 5-10% entre a têmpera e o envelhecimento. Isso ajuda a melhorar as propriedades mecânicas por meio do endurecimento por trabalho a frio e da maior formação de precipitados durante o endurecimento por envelhecimento.
O estiramento é um método comum de trabalho a frio de produtos 7050, como chapas e extrusões. A laminação a frio também pode ser usada para produtos de chapas e folhas.
Endurecimento por idade
O endurecimento por envelhecimento é realizado aquecendo-se o 7050 a 121°C por 24 horas para atingir a condição de têmpera T7. As temperaturas de envelhecimento podem variar de 100 a 150°C, dependendo da resistência desejada.
Temperaturas de envelhecimento mais altas produzem menor resistência com maior estabilidade e resistência à corrosão. O envelhecimento em várias etapas pode aumentar ainda mais a resistência por meio da otimização dos precipitados.
Alisamento
Os estágios de têmpera e envelhecimento geralmente produzem empenamento e distorção em peças de alumínio 7050. O endireitamento garante que os componentes atendam às tolerâncias dimensionais finais e aos requisitos de acabamento de superfície.
O endireitamento por estiramento é comumente usado para extrusões e produtos de chapa laminada. As seções de chapas podem utilizar processos de nivelamento de prensa ou rolo para corrigir distorções.
Microestrutura da liga de alumínio 7050
A microestrutura do alumínio 7050 consiste em uma matriz de liga de alumínio com partículas finas de precipitados secundários:
Micrografia de pico de envelhecimento da liga de alumínio 7050 mostrando precipitados finos (pontos escuros) dentro da matriz de alumínio. Crédito da imagem: ASTM International
Os principais precipitados incluem:
- MgZn2 - Esse precipitado de fase β′ faz a contribuição mais substancial para o reforço do alumínio 7050. Ele se forma como partículas finamente dispersas dentro dos grãos e ao longo dos limites dos grãos.
- Al2CuMg - Esses precipitados da fase T proporcionam endurecimento adicional por precipitação. Eles se formam em deslocamentos e limites de subgrãos.
- Al7Cu2Fe - As partículas de Al7Cu2Fe contendo ferro atuam como locais de nucleação para recristalização durante o tratamento térmico. Algumas fases grosseiras de Al7Cu2Fe também estarão presentes.
- Al3Zr - Os dispersóides Al3Zr são usados para controlar a estrutura dos grãos. Eles restringem o crescimento e a recristalização dos grãos, o que ajuda a manter a resistência.
Uma estrutura de grãos fina e uniforme permite alcançar o equilíbrio necessário entre resistência, tenacidade e outras propriedades mecânicas. Tamanhos de grão de cerca de 25 μm são típicos.
Metalurgia do pó Liga de alumínio 7050
As técnicas de atomização podem produzir pós finos de liga de alumínio 7050 adequados para manufatura aditiva ou compactação de pó:
Atomização de gás
A atomização com gás inerte é o método mais comum de produção de pó de alumínio 7050. O gás argônio ou nitrogênio de alta pressão é usado para quebrar um fluxo de metal fundido em gotículas finas.
As gotículas se solidificam rapidamente em partículas de pó esféricas com uma distribuição de tamanho de partícula controlada. O pó 7050 atomizado a gás tem uma faixa típica de tamanho de partícula de 20 a 150 mícrons.
Atomização por plasma
A atomização por plasma utiliza gás de plasma para derreter e atomizar a liga. Ela produz pós mais esféricos com uma faixa de tamanho de partícula mais fina, de cerca de 5 a 45 mícrons.
Isso melhora o fluxo e a densificação do pó. Mas o pó é geralmente mais caro do que as alternativas atomizadas a gás.
Ligas mecânicas
Os pós de alumínio elementar e elementos de liga são ligados mecanicamente para sintetizar o pó da liga 7050 com um tamanho de partícula ainda mais fino.
Técnicas de moagem de alta energia são usadas para criar uma distribuição homogênea das adições de liga na matriz de alumínio. Isso permite a síntese de pó 7050 nanoestruturado e amorfo.
Independentemente do método de produção, a alta pureza é fundamental para o pó 7050 destinado à manufatura aditiva, à moldagem por injeção de metal ou a outros processos de metalurgia do pó. Controles rigorosos dos níveis de oxigênio e umidade, em particular, ajudam a evitar defeitos.
O manuseio adequado do pó, o armazenamento e o controle da atmosfera são igualmente importantes para evitar a contaminação do pó antes do uso.
Manufatura aditiva com alumínio 7050
O pó de liga de alumínio 7050 é cada vez mais usado para imprimir em 3D componentes aeroespaciais e de defesa leves e de alta resistência por meio de técnicas de fusão em leito de pó.
Tanto a fusão seletiva a laser (SLM) quanto a fusão por feixe de elétrons (EBM) são capazes de processar o pó de alumínio 7050. As principais considerações são:
Otimização de parâmetros
Os parâmetros da máquina precisam ser otimizados para obter peças totalmente densas de 7050 com as propriedades mecânicas desejadas. Isso inclui aspectos como espessura da camada, velocidade de varredura, potência do feixe e espaçamento das hachuras.
Para minimizar a porosidade e, ao mesmo tempo, evitar rachaduras a quente e distorções, é necessário equilibrar os efeitos de aquecimento e resfriamento durante a impressão.
Alta refletividade
A superfície polida e reflexiva do pó de alumínio 7050 pode refletir a radiação do laser durante a SLM, em vez de absorvê-la efetivamente. As densidades de potência mais altas e o desbaste prévio de cada camada ajudam a compensar esse problema.
Oxidação
As películas de óxido na superfície das partículas de pó devem ser quebradas durante a fusão para evitar o aprisionamento na peça final. Caso contrário, esses óxidos causarão reduções de resistência.
O processamento sob atmosfera inerte usando argônio ou nitrogênio minimiza a oxidação.
Tensões residuais
As tensões residuais dos ciclos de aquecimento e resfriamento localizados continuam sendo um problema durante os processos de construção de AM de alumínio 7050. É necessária uma otimização cuidadosa das estruturas de suporte.
Os tratamentos térmicos pós-produção também podem ajudar a aliviar as tensões residuais na peça impressa. A prensagem isostática a quente (HIP) pode melhorar ainda mais as propriedades de tração, eliminando os vazios internos.
Aplicações do pó de alumínio 7050
Além da manufatura aditiva, o pó de alumínio 7050 também atende a
Moldagem por injeção de metal (MIM)
O pó da liga 7050 é adequado para moldagem por injeção de metal para criar componentes aeroespaciais e de defesa em formato de rede com alta resistência e precisão.
O pó de até 5 mícrons ou menos é o preferido para MIM para obter um bom fluxo de molde e resistência da peça verde. Seguem-se as etapas de mistura do aglutinante, moldagem por injeção, desbobinamento e sinterização.
Forjamento de pó
O pó de alumínio 7050 pode ser submetido a forjamento direto em peças com formato próximo ao líquido. Após a compactação em um formato de pré-forma, o forjamento em matriz fechada cria componentes 3D complexos por meio de deformação controlada.
Os pós de Al-Zn-Mg-Cu ajudam no fluxo e na coesão durante a compactação. A microestrutura final forjada apresenta grãos finos e uniformes e precipitados.
Pulverização térmica
O pó de alumínio 7050 é aplicado como material de revestimento usando técnicas de pulverização térmica, como a pulverização de combustível de oxigênio de alta velocidade (HVOF). Isso proporciona uma camada resistente ao desgaste e à corrosão.
O revestimento oferece proteção leve para componentes de alumínio ou magnésio sem alterar suas propriedades básicas.
Soldagem a pó
O pó de alumínio 7050 especializado é utilizado para processos de soldagem a pó destinados a reparar ou adicionar material a peças de alumínio. A técnica produz depósitos metalurgicamente ligados com resistência semelhante à da liga de base.
A entrada em baixa temperatura evita danos ao soldar componentes de alumínio sensíveis ao calor. O pó fino preenche rachaduras e áreas danificadas.
Pós pirotécnicos
O pó esférico de alumínio 7050 com distribuição controlada de tamanho de partícula serve como fonte de combustível em composições pirotécnicas para chamas, ignitores e outros dispositivos.
O pó entra em combustão prontamente em altas temperaturas quando combinado com oxidantes adequados. A contaminação mínima por partículas estranhas é vital para os pós pirotécnicos.
Perguntas frequentes sobre o pó de liga de alumínio 7050
P: Quais são os tipos de pó 7050 disponíveis?
R: Os pós de alumínio 7050 atomizados a gás e a plasma são os mais comuns. O tamanho do pó varia de cerca de 5 mícrons a 150 mícrons. A morfologia esferoidal e o baixo teor de oxigênio são típicos. É possível produzir distribuições personalizadas de tamanho de partícula.
P: Quais são as precauções necessárias ao manusear o pó 7050?
R: A exposição ao ar e à umidade deve ser minimizada para evitar a oxidação e a absorção de hidrogênio. Recomenda-se o armazenamento em contêineres fechados com dessecante. O aterramento adequado e ambientes à prova de explosão podem ser necessários para pós inflamáveis.
P: Quais são alguns exemplos de aplicações do pó 7050?
R: As principais aplicações do pó de alumínio 7050 incluem:
- Manufatura aditiva via SLM ou EBM - Para fabricar peças aeroespaciais e de defesa com geometrias complexas.
- Moldagem por injeção de metal - Para componentes pequenos e de alta precisão, como lâminas de turbina.
- Forjamento a pó - Produção de peças estruturais leves com recursos integrados.
- Pulverização térmica - Como revestimento protetor para componentes de alumínio.
- Soldagem a pó - Para reparar rachaduras ou danos em peças aeroespaciais de alumínio.
P: Qual é a composição química típica da liga de alumínio 7050?
R: Uma composição típica é:
- Zinco: 6,0-6,7%
- Magnésio: 2,0-2,6%
- Cobre: 2,0-2,5%
- Zircônio: 0,08-0,15%
- Ferro: 0,10% máximo
- Silício: 0,12% máximo
- Manganês: 0,10% máx.
- Titânio: 0,06% máximo
- Cromo: 0,04% máximo
Outros elementos residuais também podem estar presentes até os limites especificados.
P: Qual é a diferença entre as ligas de alumínio 7050 e 7075?
R: As principais diferenças são:
- O 7050 tem maior resistência, de até 570 MPa contra 510 MPa do 7075.
- O 7050 oferece melhor resistência a rachaduras por corrosão sob tensão.
- O 7050 contém zircônio para controle da estrutura de grãos.
- A liga 7075 tem uma resistência à fratura marginalmente melhor.
- O 7075 é mais amplamente usado em aplicações com estresse ligeiramente menor.