Було проведено широке дослідження додавання рідкоземельних елементів (РЗЕ) до алюмінієвих сплавів серій 7xxx, 5xxx та 2xxx, які показали помітний вплив. Зокрема, алюмінієві сплави серії 7xxx, які містять кілька легуючих елементів, часто зазнають сильної сегрегації під час плавлення та лиття, що призводить до утворення значної кількості евтектичних фаз. Це знижує в'язкість та корозійну стійкість, погіршуючи загальні характеристики сплаву. Включення рідкоземельних елементів до високолегованих алюмінієвих сплавів може подрібнити зерна, придушити сегрегацію та очистити матрицю, тим самим покращуючи мікроструктуру та загальні властивості.
Останнім часом увагу привернув тип надпластичного подрібнювача зерна. Ці подрібнювачі використовують рідкоземельні елементи, такі як La та Ce, для посилення ослаблення меж зерен та субзерен. Це не тільки подрібнює зерна, але й сприяє рівномірному розподілу осадів, пригнічує рекристалізацію та значно покращує пластичність сплаву, що зрештою підвищує продуктивність процесів екструзії.
У алюмінієвих сплавах серії 7xxx рідкоземельні елементи зазвичай додаються трьома способами:
1. Тільки рідкісноземельні елементи;
2. Поєднання Zr та рідкоземельних елементів;
3. Поєднання Zr, Cr та рідкоземельних елементів.
Загальний вміст рідкоземельних елементів зазвичай контролюється в межах 0,1–0,5 мас.%.
Механізми рідкоземельних елементів
Рідкісноземельні елементи, такі як La, Ce, Sc, Er, Gd та Y, сприяють утворенню алюмінієвих сплавів через кілька механізмів:
Подрібнення зерен: Рідкісноземельні елементи утворюють рівномірно розподілені осади, які діють як гетерогенні центри нуклеації, перетворюючи дендритні структури на рівновісні дрібні зерна, що покращує міцність і пластичність.
Придушення сегрегації: під час плавлення та затвердіння рідкоземельні елементи сприяють більш рівномірному розподілу елементів, зменшують утворення евтектики та збільшують щільність матриці.
Очищення матриці: Y, La та Ce можуть реагувати з домішками в розплаві (O, H, N, S), утворюючи стабільні сполуки, знижуючи вміст газу та включень, що покращує якість сплаву.
Зміна поведінки рекристалізації: Деякі рідкоземельні елементи можуть затискати межі зерен та субзерен, перешкоджаючи руху дислокацій та міграції меж зерен. Це затримує рекристалізацію та зберігає дрібні субзеренні структури під час термічної обробки, покращуючи як міцність, так і корозійну стійкість.
Ключові рідкоземельні елементи та їх вплив
Скандій (Sc)
Sc має найменший атомний радіус серед рідкоземельних елементів і також є перехідним металом. Він дуже ефективний для покращення властивостей деформованих алюмінієвих сплавів.
У алюмінієвих сплавах Sc осаджується у вигляді когерентного Al₃Sc, підвищуючи температуру рекристалізації та пригнічуючи укрупнення зерен.
У поєднанні з Zr утворюються стійкі до високих температур частинки Al₃(Sc,Zr), що сприяють утворенню рівноосьових дрібних зерен та перешкоджають руху дислокацій і міграції меж зерен. Це покращує міцність, стійкість до втоми та стійкість до корозії під напругою.
Надмірний вміст Sc може призвести до утворення грубих частинок Al₃(Sc,Zr), що знижує здатність до рекристалізації, міцність та пластичність.
Ербій (Er)
Er діє подібно до Sc, але є більш економічно ефективним.
У сплавах серії 7xxx відповідні добавки Er подрібнюють зерна, гальмують рух дислокацій та міграцію меж зерен, пригнічують рекристалізацію та підвищують міцність.
При спільному додаванні з Zr утворюються частинки Al₃(Er,Zr), які є більш термічно стабільними, ніж Al₃Er окремо, що забезпечує краще пригнічення рекристалізації.
Надмірний Er може призвести до утворення фаз Al₈Cu₄Er, знижуючи як міцність, так і пластичність.
Гадоліній (Gd)
Помірні добавки Gd подрібнюють зерна, підвищують міцність і пластичність, а також покращують розчинність Zn, Mg та Cu в матриці.
Утворена фаза Al₃(Gd,Zr) закріплює дислокації та межі субзерен, пригнічуючи рекристалізацію. На поверхні зерен також утворюється активна плівка, що ще більше обмежує ріст зерен.
Надмірний вміст Gd може призвести до укрупнення зерна та погіршення механічних властивостей.
Лантану (La), Церію (Ce) та Ітрію (Y)
Лат подрібнює зерна, зменшує вміст кисню та утворює активну плівку на поверхні зерен, щоб перешкоджати їх росту.
La та Ce сприяють утворенню зони GP та фази η′, покращуючи міцність матриці та корозійну стійкість.
Y очищає матрицю, перешкоджає розчиненню основних легуючих елементів у твердому розчині, сприяє нуклеації та зменшує різницю потенціалів між межами зерен та їхніми внутрішніми шарами, підвищуючи корозійну стійкість.
Надмірний вміст La, Ce або Y може призвести до утворення грубоблокових сполук, що знижує пластичність та міцність.
Властивості основних рідкоземельних елементів та їх характеристики в алюмінії
Час публікації: 21 серпня 2025 р.
