Provedena su opsežna istraživanja o dodavanju rijetkozemnih elemenata (REE) aluminijskim legurama serije 7xxx, 5xxx i 2xxx, koja su pokazala značajne učinke. Konkretno, aluminijske legure serije 7xxx, koje sadrže više legirajućih elemenata, često doživljavaju ozbiljnu segregaciju tijekom taljenja i lijevanja, što dovodi do stvaranja značajnih količina eutektičkih faza. To smanjuje žilavost i otpornost na koroziju, ugrožavajući ukupne performanse legure. Ugradnja rijetkozemnih elemenata u visoko legirane aluminijske legure može pročistiti zrna, suzbiti segregaciju i pročistiti matricu, čime se poboljšava mikrostruktura i ukupna svojstva.
Nedavno je pozornost privukla vrsta superplastičnog pročišćavača zrna. Ovi pročišćavači koriste rijetke zemne elemente poput La i Ce kako bi pojačali slabljenje granica zrna i podzrna. To ne samo da pročišćava zrna, već i potiče jednoliku disperziju taloga, potiskuje rekristalizaciju i značajno poboljšava duktilnost legure, što u konačnici povećava produktivnost u procesima ekstruzije.
U aluminijskim legurama serije 7xxx, rijetkozemni elementi se obično dodaju na tri načina:
1. Samo rijetki zemni elementi;
2. Kombinacija Zr i rijetkih zemnih elemenata;
3. Kombinacija Zr, Cr i rijetkih zemnih elemenata.
Ukupni sadržaj rijetkih zemnih elemenata obično se kontrolira unutar 0,1-0,5 težinskih %.
Mehanizmi rijetkih zemnih elemenata
Rijetki zemni elementi poput La, Ce, Sc, Er, Gd i Y doprinose aluminijskim legurama putem više mehanizama:
Pročišćavanje zrna: Rijetkozemni elementi tvore jednoliko raspoređene taloge koji djeluju kao heterogena mjesta nukleacije, pretvarajući dendritične strukture u jednakoosna fina zrna, što poboljšava čvrstoću i duktilnost.
Suzbijanje segregacije: Tijekom taljenja i skrućivanja, rijetkozemni elementi potiču ravnomjerniju raspodjelu elemenata, smanjuju stvaranje eutektika i povećavaju gustoću matrice.
Pročišćavanje matrice: Y, La i Ce mogu reagirati s nečistoćama u talini (O, H, N, S) stvarajući stabilne spojeve, smanjujući sadržaj plina i inkluzija, što poboljšava kvalitetu legure.
Modifikacija ponašanja rekristalizacije: Određeni rijetki zemni elementi mogu blokirati granice zrna i podzrna, inhibirajući kretanje dislokacija i migraciju granica zrna. To odgađa rekristalizaciju i čuva fine podzrnate strukture tijekom toplinske obrade, poboljšavajući i čvrstoću i otpornost na koroziju.
Ključni elementi rijetkih zemalja i njihovi učinci
Skandij (Sc)
Sc ima najmanji atomski radijus među rijetkim zemnim elementima i ujedno je prijelazni metal. Vrlo je učinkovit u poboljšanju svojstava deformiranih aluminijevih legura.
U aluminijskim legurama, Sc se taloži kao koherentni Al₃Sc, povećavajući temperaturu rekristalizacije i sprječavajući grubljenje zrna.
U kombinaciji sa Zr, formiraju se čestice Al₃(Sc,Zr) stabilne na visokim temperaturama, koje potiču stvaranje jednakoosnih finih zrna i sprječavaju kretanje dislokacija i migraciju granica zrna. To poboljšava čvrstoću, otpornost na umor i otpornost na naponsku koroziju.
Prekomjerna količina Sc može dovesti do grubih čestica Al₃(Sc,Zr), smanjujući sposobnost rekristalizacije, čvrstoću i duktilnost.
Erbij (Er)
Er djeluje slično kao Sc, ali je isplativiji.
U legurama serije 7xxx, odgovarajući dodaci Er pročišćavaju zrna, inhibiraju kretanje dislokacija i migraciju granica zrna, potiskuju rekristalizaciju i povećavaju čvrstoću.
Kada se doda zajedno sa Zr, formiraju se čestice Al₃(Er,Zr), koje su termički stabilnije od samog Al₃Er, što omogućuje bolje supresiranje rekristalizacije.
Prekomjerni Er može stvoriti faze Al₈Cu₄Er, smanjujući i čvrstoću i duktilnost.
Gadolinij (Gd)
Umjereni dodaci Gd pročišćavaju zrna, povećavaju čvrstoću i duktilnost te poboljšavaju topljivost Zn, Mg i Cu u matrici.
Rezultirajuća Al₃(Gd,Zr) faza učvršćuje dislokacije i granice subzrna, potiskujući rekristalizaciju. Aktivni film se također formira na površinama zrna, što dodatno ograničava rast zrna.
Prekomjerna količina Gd može uzrokovati grubljenje zrna i pogoršanje mehaničkih svojstava.
Lantan (La), cerij (Ce) i itrij (Y)
La pročišćava zrna, smanjuje sadržaj kisika i stvara aktivni film na površinama zrna kako bi spriječio rast.
La i Ce potiču taloženje GP zone i η′ faze, poboljšavajući čvrstoću matrice i otpornost na koroziju.
Y pročišćava matricu, sprječava otapanje glavnih legirajućih elemenata u čvrstoj otopini, potiče nukleaciju i smanjuje potencijalne razlike između granica zrna i unutrašnjosti, povećavajući otpornost na koroziju.
Prekomjerna količina La, Ce ili Y može dovesti do grubih blokovskih spojeva, što smanjuje duktilnost i čvrstoću.
Svojstva glavnih rijetkih zemnih elemenata i njihove karakteristike u aluminiju
Vrijeme objave: 21. kolovoza 2025.
