Omfattande forskning har utförts på tillsats av sällsynta jordartsmetaller (REE) till aluminiumlegeringar i 7xxx-, 5xxx- och 2xxx-serien, vilket har visat anmärkningsvärda effekter. I synnerhet upplever aluminiumlegeringar i 7xxx-serien, som innehåller flera legeringselement, ofta kraftig segregering under smältning och gjutning, vilket leder till bildandet av betydande mängder eutektiska faser. Detta minskar seghet och korrosionsbeständighet, vilket äventyrar legeringens övergripande prestanda. Införandet av sällsynta jordartsmetaller i höglegerade aluminiumlegeringar kan förfina korn, undertrycka segregering och rena matrisen, vilket förbättrar mikrostrukturen och de övergripande egenskaperna.
Nyligen har en typ av superplastisk kornraffinör fått uppmärksamhet. Dessa raffinörer utnyttjar sällsynta jordartsmetaller som La och Ce för att förstärka försvagningen av korn- och underkornsgränser. Detta raffinerar inte bara kornen utan främjar också en jämn spridning av utfällningar, undertrycker omkristallisation och förbättrar legeringens duktilitet avsevärt, vilket i slutändan ökar produktiviteten i extruderingsprocesser.
I aluminiumlegeringar i 7xxx-serien tillsätts sällsynta jordartsmetaller vanligtvis på tre sätt:
1. Enbart sällsynta jordartsmetaller;
2. Kombination av Zr och sällsynta jordartsmetaller;
3. Kombination av Zr, Cr och sällsynta jordartsmetaller.
Det totala innehållet av sällsynta jordartsmetaller kontrolleras vanligtvis inom 0,1–0,5 viktprocent.
Mekanismer för sällsynta jordartsmetaller
Sällsynta jordartsmetaller som La, Ce, Sc, Er, Gd och Y bidrar till aluminiumlegeringar genom flera mekanismer:
Kornförfining: Sällsynta jordartsmetaller bildar jämnt fördelade utfällningar som fungerar som heterogena kärnbildningsställen och omvandlar dendritiska strukturer till likaxliga fina korn, vilket förbättrar styrka och duktilitet.
Undertryckande av segregering: Under smältning och stelning främjar sällsynta jordartsmetaller en mer enhetlig elementfördelning, minskar eutektisk bildning och ökar matrisdensiteten.
Matrisrening: Y, La och Ce kan reagera med föroreningar i smältan (O, H, N, S) för att bilda stabila föreningar, vilket minskar gashalten och inneslutningarna, vilket förbättrar legeringskvaliteten.
Modifiering av omkristallisationsbeteende: Vissa sällsynta jordartsmetaller kan fastna i korn- och underkornsgränser, vilket hämmar dislokationsrörelse och korngränsmigration. Detta fördröjer omkristallisation och bevarar fina underkornsstrukturer under termisk bearbetning, vilket förbättrar både hållfasthet och korrosionsbeständighet.
Viktiga sällsynta jordartsmetaller och deras effekter
Skandium (Sc)
Sc har den minsta atomradien bland sällsynta jordartsmetaller och är även en övergångsmetall. Den är mycket effektiv för att förbättra egenskaperna hos deformerade aluminiumlegeringar.
I aluminiumlegeringar utfälls Sc som koherent Al₃Sc, vilket ökar omkristallisationstemperaturen och undertrycker kornförgrovning.
I kombination med Zr bildas högtemperaturstabila Al₃(Sc,Zr)-partiklar, vilket främjar likaxliga fina korn och hindrar dislokationsrörelse och korngränsmigration. Detta förbättrar hållfasthet, utmattningsbeständighet och spänningskorrosionsprestanda.
För mycket Sc kan leda till grova Al₃(Sc,Zr)-partiklar, vilket minskar omkristallisationsförmågan, styrkan och duktiliteten.
Erbium (Er)
Er fungerar på liknande sätt som Sc men är mer kostnadseffektivt.
I legeringar i 7xxx-serien förfinar lämpliga Er-tillsatser kornen, hämmar dislokationsrörelse och korngränsmigration, undertrycker omkristallisation och ökar hållfastheten.
När de tillsätts tillsammans med Zr bildas Al₃(Er,Zr)-partiklar, vilka är mer termiskt stabila än Al₃Er ensamt, vilket ger bättre undertryckande av omkristallisation.
För mycket Er kan producera Al₈Cu₄Er-faser, vilket minskar både styrka och duktilitet.
Gadolinium (Gd)
Måttliga Gd-tillsatser förfinar korn, ökar styrka och duktilitet och förbättrar lösligheten av Zn, Mg och Cu i matrisen.
Den resulterande Al₃(Gd,Zr)-fasen fäster dislokationer och underkornsgränser, vilket undertrycker omkristallisation. En aktiv film bildas också på kornens ytor, vilket ytterligare begränsar korntillväxten.
För hög Gd kan orsaka kornförgrovning och försämra mekaniska egenskaper.
Lantan (La), cerium (Ce) och yttrium (Y)
La förädlar korn, minskar syrehalten och bildar en aktiv film på kornytor för att hämma tillväxt.
La och Ce främjar utfällning i GP-zonen och η′-fasen, vilket förbättrar matrisstyrkan och korrosionsbeständigheten.
Y renar matrisen, hindrar upplösningen av viktiga legeringselement i den fasta lösningen, främjar kärnbildning och minskar potentiella skillnader mellan korngränser och inre korn, vilket förbättrar korrosionsbeständigheten.
För mycket La, Ce eller Y kan leda till grova blockiga föreningar, vilket minskar duktilitet och hållfasthet.
Egenskaper hos viktiga sällsynta jordartsmetaller och deras egenskaper i aluminium
Publiceringstid: 21 augusti 2025
