Przeprowadzono szeroko zakrojone badania nad dodawaniem pierwiastków ziem rzadkich (REE) do stopów aluminium serii 7xxx, 5xxx i 2xxx, wykazując znaczące efekty. W szczególności stopy aluminium serii 7xxx, które zawierają wiele pierwiastków stopowych, często ulegają silnej segregacji podczas topienia i odlewania, co prowadzi do tworzenia się znacznych ilości faz eutektycznych. Zmniejsza to wytrzymałość i odporność na korozję, co negatywnie wpływa na ogólną wydajność stopu. Wprowadzenie pierwiastków ziem rzadkich do wysokostopowych stopów aluminium może rozdrobnić ziarna, zapobiec segregacji i oczyścić matrycę, poprawiając w ten sposób mikrostrukturę i ogólne właściwości.
Ostatnio zainteresowanie wzbudził rodzaj superplastycznego urządzenia do rafinacji ziarna. Urządzenia te wykorzystują pierwiastki ziem rzadkich, takie jak La i Ce, w celu wzmocnienia osłabienia granic ziaren i podziaren. To nie tylko rafinuje ziarna, ale także sprzyja równomiernemu rozproszeniu wydzieleń, zapobiega rekrystalizacji i znacząco poprawia ciągliwość stopu, ostatecznie zwiększając wydajność procesów wytłaczania.
W stopach aluminium serii 7xxx pierwiastki ziem rzadkich dodawane są zazwyczaj na trzy sposoby:
1. Wyłącznie pierwiastki ziem rzadkich;
2.Połączenie Zr i pierwiastków ziem rzadkich;
3.Połączenie Zr, Cr i pierwiastków ziem rzadkich.
Całkowita zawartość pierwiastków ziem rzadkich mieści się zazwyczaj w granicach 0,1–0,5% wag.
Mechanizmy działania pierwiastków ziem rzadkich
Pierwiastki ziem rzadkich, takie jak La, Ce, Sc, Er, Gd i Y, przyczyniają się do powstawania stopów aluminium poprzez wiele mechanizmów:
Rafinacja ziarna: Pierwiastki ziem rzadkich tworzą równomiernie rozłożone osady, które działają jak heterogeniczne miejsca nukleacji, przekształcając struktury dendrytyczne w równoosiowe drobne ziarna, co poprawia wytrzymałość i ciągliwość.
Zapobieganie segregacji: Podczas topienia i krzepnięcia pierwiastki ziem rzadkich sprzyjają bardziej równomiernemu rozmieszczeniu pierwiastków, ograniczają powstawanie eutektyków i zwiększają gęstość matrycy.
Oczyszczanie matrycy: Y, La i Ce mogą reagować z zanieczyszczeniami w stopie (O, H, N, S) tworząc stabilne związki, obniżając zawartość gazów i wtrąceń, co poprawia jakość stopu.
Modyfikacja procesu rekrystalizacji: Niektóre pierwiastki ziem rzadkich mogą blokować granice ziaren i podziaren, hamując ruch dyslokacji i migrację granic ziaren. Opóźnia to rekrystalizację i zachowuje drobne struktury podziaren podczas obróbki cieplnej, poprawiając zarówno wytrzymałość, jak i odporność na korozję.
Kluczowe pierwiastki ziem rzadkich i ich wpływ
Skand (Sc)
Sc ma najmniejszy promień atomowy wśród pierwiastków ziem rzadkich i jest metalem przejściowym. Jest bardzo skuteczny w poprawianiu właściwości odkształcanych stopów aluminium.
W stopach aluminium Sc wytrąca się w postaci spójnego Al₃Sc, co powoduje wzrost temperatury rekrystalizacji i zapobiega powiększaniu się ziarna.
W połączeniu z Zr tworzą się odporne na wysokie temperatury cząstki Al₃(Sc,Zr), które sprzyjają równoosiowym drobnym ziarnom i hamują ruch dyslokacji oraz migrację granic ziaren. Poprawia to wytrzymałość, odporność na zmęczenie oraz odporność na korozję naprężeniową.
Nadmierna ilość Sc może powodować powstawanie grubych cząstek Al₃(Sc,Zr), co zmniejsza zdolność do rekrystalizacji, wytrzymałość i ciągliwość.
Erb (Er)
Er działa podobnie do Sc, ale jest bardziej opłacalny.
W stopach serii 7xxx odpowiednie dodatki Er rozdrabniają ziarna, hamują ruch dyslokacji i migrację granic ziaren, zapobiegają rekrystalizacji i zwiększają wytrzymałość.
W połączeniu z Zr powstają cząstki Al₃(Er,Zr), które są bardziej stabilne termicznie niż sam Al₃Er, zapewniając lepszą ochronę przed rekrystalizacją.
Nadmierna ilość Er może powodować powstawanie faz Al₈Cu₄Er, co powoduje zmniejszenie wytrzymałości i ciągliwości.
Gadolin (Gd)
Umiarkowane dodatki Gd rozdrabniają ziarna, zwiększają wytrzymałość i ciągliwość oraz poprawiają rozpuszczalność Zn, Mg i Cu w matrycy.
Powstała faza Al₃(Gd,Zr) blokuje dyslokacje i granice podziarnowe, hamując rekrystalizację. Na powierzchniach ziaren tworzy się również aktywna warstwa, dodatkowo ograniczając wzrost ziaren.
Nadmierna ilość Gd może powodować zwiększenie grubości ziarna i pogorszenie właściwości mechanicznych.
Lantan (La), cer (Ce) i itr (Y)
La rafinuje ziarna, redukuje zawartość tlenu i tworzy aktywną warstwę na powierzchni ziaren, która hamuje ich wzrost.
La i Ce wspomagają wydzielanie strefy GP i fazy η′, zwiększając wytrzymałość matrycy i odporność na korozję.
Y oczyszcza matrycę, zapobiega rozpuszczaniu się głównych pierwiastków stopowych w roztworze stałym, wspomaga nukleację i zmniejsza różnice potencjałów między granicami ziaren i wnętrzami, zwiększając odporność na korozję.
Nadmierna ilość La, Ce lub Y może powodować powstawanie gruboziarnistych, blokowych związków, które zmniejszają ciągliwość i wytrzymałość.
Właściwości głównych pierwiastków ziem rzadkich i ich charakterystyka w aluminium
Czas publikacji: 21-08-2025
