Au fost efectuate cercetări ample privind adăugarea de elemente de pământuri rare (REE) la aliajele de aluminiu din seria 7xxx, 5xxx și 2xxx, demonstrând efecte notabile. În special, aliajele de aluminiu din seria 7xxx, care conțin mai multe elemente de aliere, prezintă adesea o segregare severă în timpul topirii și turnării, ceea ce duce la formarea unor cantități semnificative de faze eutectice. Acest lucru reduce tenacitatea și rezistența la coroziune, compromițând performanța generală a aliajului. Încorporarea elementelor de pământuri rare în aliajele de aluminiu puternic aliate poate rafina granulele, suprima segregarea și purifica matricea, îmbunătățind astfel microstructura și proprietățile generale.
Recent, un tip de rafinor de granule superplastice a atras atenția. Aceste rafinoare exploatează elemente de pământuri rare, cum ar fi La și Ce, pentru a spori slăbirea limitelor dintre granule și subgranule. Acest lucru nu numai că rafinează granulele, dar promovează și o dispersie uniformă a precipitatelor, suprimă recristalizarea și îmbunătățește semnificativ ductilitatea aliajului, crescând în cele din urmă productivitatea în procesele de extrudare.
În aliajele de aluminiu din seria 7xxx, elementele de pământuri rare sunt adăugate în general în trei moduri:
1. Doar elemente de pământuri rare;
2. Combinarea Zr și a elementelor de pământuri rare;
3. Combinație de Zr, Cr și elemente de pământuri rare.
Conținutul total de elemente de pământuri rare este de obicei controlat între 0,1–0,5% în greutate.
Mecanismele elementelor de pământuri rare
Elementele de pământuri rare, cum ar fi La, Ce, Sc, Er, Gd și Y, contribuie la formarea aliajelor de aluminiu prin mai multe mecanisme:
Rafinarea granulelor: Elementele de pământuri rare formează precipitate distribuite uniform care acționează ca situsuri de nucleație eterogene, transformând structurile dendritice în granule fine echiaxiale, ceea ce îmbunătățește rezistența și ductilitatea.
Suprimarea segregării: În timpul topirii și solidificării, elementele de pământuri rare promovează o distribuție mai uniformă a elementelor, reduc formarea eutectică și cresc densitatea matricei.
Purificarea matricei: Y, La și Ce pot reacționa cu impuritățile din topitură (O, H, N, S) pentru a forma compuși stabili, reducând conținutul de gaz și incluziunile, ceea ce îmbunătățește calitatea aliajului.
Modificarea comportamentului de recristalizare: Anumite elemente de pământuri rare pot bloca limitele granulelor și subgranulelor, inhibând mișcarea dislocațiilor și migrarea limitelor granulelor. Acest lucru întârzie recristalizarea și păstrează structurile fine ale subgranulelor în timpul procesării termice, îmbunătățind atât rezistența, cât și rezistența la coroziune.
Elemente cheie ale pământurilor rare și efectele lor
Scandiu (Sc)
Sc are cea mai mică rază atomică dintre elementele de pământuri rare și este, de asemenea, un metal de tranziție. Este foarte eficient în îmbunătățirea proprietăților aliajelor de aluminiu deformate.
În aliajele de aluminiu, Sc precipită sub formă de Al₃Sc coerent, crescând temperatura de recristalizare și suprimând granularea.
În combinație cu Zr, se formează particule de Al₃(Sc,Zr) stabile la temperaturi ridicate, care promovează granulele fine echiaxiale și împiedică mișcarea dislocațiilor și migrarea limitelor granulelor. Acest lucru îmbunătățește rezistența, rezistența la oboseală și performanța la coroziune sub tensiune.
Excesul de Sc poate duce la particule grosiere de Al₃(Sc,Zr), reducând capacitatea de recristalizare, rezistența și ductilitatea.
Erbiu (Er)
Er acționează similar cu Sc, dar este mai eficient din punct de vedere al costurilor.
În aliajele din seria 7xxx, adaosurile adecvate de Er rafinează granulele, inhibă mișcarea dislocațiilor și migrarea limitelor granulelor, suprimă recristalizarea și sporesc rezistența.
Când sunt adăugate împreună cu Zr, se formează particule de Al₃(Er,Zr), care sunt mai stabile termic decât Al₃Er singur, asigurând o mai bună suprimare a recristalizării.
Excesul de Er poate produce faze de Al₈Cu₄Er, reducând atât rezistența, cât și ductilitatea.
Gadoliniu (Gd)
Adaosurile moderate de Gd rafinează granulele, cresc rezistența și ductilitatea și sporesc solubilitatea Zn, Mg și Cu în matrice.
Faza Al₃(Gd,Zr) rezultată fixează dislocațiile și limitele subgranulelor, suprimând recristalizarea. De asemenea, se formează o peliculă activă pe suprafețele granulelor, limitând și mai mult creșterea granulelor.
Excesul de Gd poate provoca creșterea grosime a granulelor și deteriorarea proprietăților mecanice.
Lantan (La), Ceriu (Ce) și Ytriu (Y)
La rafinează boabele, reduce conținutul de oxigen și formează o peliculă activă pe suprafețele boabelor pentru a inhiba creșterea.
La și Ce promovează precipitarea zonei GP și a fazei η′, îmbunătățind rezistența matricei și rezistența la coroziune.
Y purifică matricea, împiedică dizolvarea elementelor majore de aliere în soluția solidă, promovează nucleația și reduce diferențele de potențial dintre limitele granulelor și interior, sporind rezistența la coroziune.
Excesul de La, Ce sau Y poate duce la compuși blocați grosieri, care reduc ductilitatea și rezistența.
Proprietățile principalelor elemente de pământuri rare și caracteristicile acestora în aluminiu
Data publicării: 21 august 2025
