Проведени са обширни изследвания върху добавянето на редкоземни елементи (REE) към алуминиеви сплави от серии 7xxx, 5xxx и 2xxx, показващи забележителни ефекти. По-специално, алуминиевите сплави от серия 7xxx, които съдържат множество легиращи елементи, често претърпяват силна сегрегация по време на топене и леене, което води до образуването на значителни количества евтектични фази. Това намалява жилавостта и устойчивостта на корозия, компрометирайки цялостните характеристики на сплавта. Включването на редкоземни елементи във високолегирани алуминиеви сплави може да рафинира зърната, да потисне сегрегацията и да пречисти матрицата, като по този начин подобри микроструктурата и общите свойства.
Напоследък внимание привлече един вид свръхпластичен рафинер за зърно. Тези рафинери използват редкоземни елементи като La и Ce, за да подобрят отслабването на границите между зърната и подзърната. Това не само рафинира зърната, но и насърчава равномерното разпръскване на утайките, потиска рекристализацията и значително подобрява пластичността на сплавта, което в крайна сметка увеличава производителността при екструдиране.
В алуминиевите сплави от серия 7xxx, редкоземните елементи обикновено се добавят по три начина:
1. Само редкоземни елементи;
2. Комбинация от Zr и редкоземни елементи;
3. Комбинация от Zr, Cr и редкоземни елементи.
Общото съдържание на редкоземни елементи обикновено се контролира в рамките на 0,1–0,5 тегловни процента.
Механизми на редкоземните елементи
Редкоземните елементи като La, Ce, Sc, Er, Gd и Y допринасят за образуването на алуминиеви сплави чрез множество механизми:
Пречистване на зърната: Редкоземните елементи образуват равномерно разпределени утайки, които действат като хетерогенни места за нуклеация, превръщайки дендритните структури в фини зърна с равноосни оси, което подобрява якостта и пластичността.
Потискане на сегрегацията: По време на топене и втвърдяване, редкоземните елементи насърчават по-равномерното разпределение на елементите, намаляват образуването на евтектика и увеличават плътността на матрицата.
Пречистване на матрицата: Y, La и Ce могат да реагират с примеси в стопилката (O, H, N, S), за да образуват стабилни съединения, намалявайки съдържанието на газ и включвания, което подобрява качеството на сплавта.
Модификация на поведението при рекристализация: Някои редкоземни елементи могат да блокират границите на зърната и подзърната, като по този начин инхибират движението на дислокациите и миграцията на границите на зърната. Това забавя рекристализацията и запазва фините подзърнести структури по време на термична обработка, подобрявайки както якостта, така и устойчивостта на корозия.
Ключови редкоземни елементи и техните ефекти
Скандий (Sc)
Sc има най-малкия атомен радиус сред редкоземните елементи и е преходен метал. Той е много ефективен при подобряване на свойствата на деформирани алуминиеви сплави.
В алуминиевите сплави, Sc се утаява като кохерентен Al₃Sc, повишавайки температурата на рекристализация и потискайки уедряването на зърната.
Когато се комбинират с Zr, се образуват високотемпературни устойчиви частици Al₃(Sc,Zr), които насърчават образуването на равноосни фини зърна и възпрепятстват движението на дислокациите и миграцията на границите на зърната. Това подобрява якостта, устойчивостта на умора и корозионните характеристики под напрежение.
Прекомерното съдържание на Sc може да доведе до образуването на едри частици Al₃(Sc,Zr), намалявайки способността за рекристализация, якостта и пластичността.
Ербий (Er)
Er действа подобно на Sc, но е по-рентабилен.
В сплавите от серия 7xxx, подходящите добавки на Er рафинират зърната, инхибират движението на дислокациите и миграцията на границите на зърната, потискат рекристализацията и повишават якостта.
Когато се добавят едновременно с Zr, се образуват частици Al₃(Er,Zr), които са по-термично стабилни от Al₃Er самостоятелно, осигурявайки по-добро потискане на рекристализацията.
Прекомерното количество Er може да доведе до образуване на фази Al₈Cu₄Er, намалявайки както якостта, така и пластичността.
Гадолиний (Gd)
Умерените добавки на Gd рафинират зърната, увеличават якостта и пластичността и подобряват разтворимостта на Zn, Mg и Cu в матрицата.
Получената Al₃(Gd,Zr) фаза закрепва дислокациите и границите на подзърната, потискайки рекристализацията. Активен филм също се образува върху повърхностите на зърната, което допълнително ограничава растежа им.
Прекомерното съдържание на Gd може да причини удебеляване на зърната и да влоши механичните свойства.
Лантана (La), Церия (Ce) и Итрия (Y)
Ламинът рафинира зърната, намалява съдържанието на кислород и образува активен филм върху повърхността им, за да потисне растежа им.
La и Ce насърчават утаяването на GP зоната и η′ фазата, подобрявайки якостта на матрицата и устойчивостта на корозия.
Y пречиства матрицата, възпрепятства разтварянето на основните легиращи елементи в твърдия разтвор, насърчава образуването на ядра и намалява потенциалните разлики между границите на зърната и вътрешността им, повишавайки устойчивостта на корозия.
Прекомерното количество La, Ce или Y може да доведе до образуването на едри блокови съединения, които намаляват пластичността и якостта.
Свойства на основните редкоземни елементи и техните характеристики в алуминия
Време на публикуване: 21 август 2025 г.
