Der er udført omfattende forskning i tilsætning af sjældne jordarter (REE) til aluminiumlegeringer i 7xxx-, 5xxx- og 2xxx-serien, hvilket har vist bemærkelsesværdige effekter. Især aluminiumlegeringer i 7xxx-serien, som indeholder flere legeringselementer, oplever ofte alvorlig segregering under smeltning og støbning, hvilket fører til dannelsen af betydelige mængder eutektiske faser. Dette reducerer sejhed og korrosionsbestandighed, hvilket kompromitterer legeringens samlede ydeevne. Inkorporering af sjældne jordarter i højtlegerede aluminiumlegeringer kan forfine korn, undertrykke segregering og rense matrixen og derved forbedre mikrostrukturen og de samlede egenskaber.
For nylig har en type superplastisk kornraffinaderi fået opmærksomhed. Disse raffinaderier udnytter sjældne jordarter som La og Ce til at forstærke svækkelsen af korn- og underkornsgrænser. Dette raffinerer ikke kun korn, men fremmer også en ensartet spredning af udfældninger, undertrykker omkrystallisation og forbedrer legeringens duktilitet betydeligt, hvilket i sidste ende øger produktiviteten i ekstruderingsprocesser.
I aluminiumlegeringer i 7xxx-serien tilsættes sjældne jordarter generelt på tre måder:
1. Sjældne jordarter alene;
2. Kombination af Zr og sjældne jordarter;
3. Kombination af Zr, Cr og sjældne jordarter.
Det samlede indhold af sjældne jordarter kontrolleres normalt inden for 0,1-0,5 vægt%.
Mekanismer for sjældne jordarters elementer
Sjældne jordarter som La, Ce, Sc, Er, Gd og Y bidrager til aluminiumlegeringer gennem flere mekanismer:
Kornforfining: Sjældne jordarter danner ensartet fordelte udfældninger, der fungerer som heterogene kimdannelsessteder og omdanner dendritiske strukturer til ligeaksede fine korn, hvilket forbedrer styrke og duktilitet.
Undertrykkelse af segregation: Under smeltning og størkning fremmer sjældne jordarter en mere ensartet elementfordeling, reducerer eutektisk dannelse og øger matrixdensiteten.
Matrixoprensning: Y, La og Ce kan reagere med urenheder i smelten (O, H, N, S) og danne stabile forbindelser, hvilket reducerer gasindholdet og indeslutningerne og forbedrer legeringskvaliteten.
Ændring af omkrystallisationsadfærd: Visse sjældne jordarter kan fastgøre korn- og underkornsgrænser, hvilket hæmmer dislokationsbevægelse og korngrænsemigration. Dette forsinker omkrystallisation og bevarer fine underkornsstrukturer under termisk bearbejdning, hvilket forbedrer både styrke og korrosionsbestandighed.
Vigtige sjældne jordarters elementer og deres virkninger
Scandium (Sc)
Sc har den mindste atomradius blandt sjældne jordarter og er også et overgangsmetal. Det er yderst effektivt til at forbedre egenskaberne af deformerede aluminiumlegeringer.
I aluminiumlegeringer udfældes Sc som kohærent Al₃Sc, hvilket øger omkrystallisationstemperaturen og undertrykker kornforgrovning.
Når det kombineres med Zr, dannes der højtemperaturstabile Al₃(Sc,Zr)-partikler, der fremmer ligeaksede fine korn og hindrer dislokationsbevægelse og korngrænsemigration. Dette forbedrer styrke, udmattelsesbestandighed og spændingskorrosionsevne.
For meget Sc kan føre til grove Al₃(Sc,Zr)-partikler, hvilket reducerer omkrystallisationsevnen, styrken og duktiliteten.
Erbium (Er)
Er virker på samme måde som Sc, men er mere omkostningseffektiv.
I legeringer i 7xxx-serien forfiner passende Er-tilsætninger korn, hæmmer dislokationsbevægelse og korngrænsemigration, undertrykker omkrystallisation og forbedrer styrken.
Når det tilsættes sammen med Zr, dannes Al₃(Er,Zr)-partikler, som er mere termisk stabile end Al₃Er alene, hvilket giver bedre undertrykkelse af omkrystallisation.
For meget Er kan producere Al₈Cu₄Er-faser, hvilket reducerer både styrke og duktilitet.
Gadolinium (Gd)
Moderate Gd-tilsætninger forfiner korn, øger styrke og duktilitet og forbedrer opløseligheden af Zn, Mg og Cu i matrixen.
Den resulterende Al₃(Gd,Zr)-fase fastholder dislokationer og underkornsgrænser, hvilket undertrykker omkrystallisation. En aktiv film dannes også på kornoverflader, hvilket yderligere begrænser kornvækst.
For høj Gd kan forårsage kornforgrovning og forringe de mekaniske egenskaber.
Lanthan (La), cerium (Ce) og yttrium (Y)
La raffinerer korn, reducerer iltindholdet og danner en aktiv film på kornoverfladerne for at hæmme vækst.
La og Ce fremmer GP-zone- og η′-faseudfældning, hvilket forbedrer matrixstyrken og korrosionsbestandigheden.
Y renser matrixen, hindrer opløsningen af vigtigste legeringselementer i den faste opløsning, fremmer kimdannelse og reducerer potentielle forskelle mellem korngrænser og indre lag, hvilket forbedrer korrosionsbestandigheden.
For meget La, Ce eller Y kan føre til grove, blokagtige forbindelser, som reducerer duktilitet og styrke.
Egenskaber ved vigtige sjældne jordarter og deres karakteristika i aluminium
Opslagstidspunkt: 21. august 2025
