تحقیقات گسترده‌ای در مورد افزودن عناصر خاکی کمیاب (REEs) به آلیاژهای آلومینیوم سری 7xxx، 5xxx و 2xxx انجام شده است که اثرات قابل توجهی را نشان می‌دهد. به طور خاص، آلیاژهای آلومینیوم سری 7xxx که حاوی عناصر آلیاژی متعدد هستند، اغلب در طول ذوب و ریخته‌گری دچار جدایش شدید می‌شوند که منجر به تشکیل مقادیر قابل توجهی از فازهای یوتکتیک می‌شود. این امر چقرمگی و مقاومت در برابر خوردگی را کاهش می‌دهد و عملکرد کلی آلیاژ را به خطر می‌اندازد. افزودن عناصر خاکی کمیاب به آلیاژهای آلومینیوم با آلیاژ بالا می‌تواند دانه‌ها را اصلاح کند، جدایش را سرکوب کند و زمینه را خالص کند و در نتیجه ریزساختار و خواص کلی را بهبود بخشد.
اخیراً، نوعی از ریزکننده‌های دانه سوپرپلاستیک مورد توجه قرار گرفته است. این ریزکننده‌ها از عناصر خاکی کمیاب مانند La و Ce برای افزایش تضعیف مرزهای دانه و زیردانه استفاده می‌کنند. این نه تنها دانه‌ها را ریز می‌کند، بلکه پراکندگی یکنواخت رسوبات را نیز افزایش می‌دهد، تبلور مجدد را سرکوب می‌کند و به طور قابل توجهی شکل‌پذیری آلیاژ را بهبود می‌بخشد و در نهایت بهره‌وری را در فرآیندهای اکستروژن افزایش می‌دهد.
در آلیاژهای آلومینیوم سری 7xxx، عناصر خاکی کمیاب معمولاً به سه روش اضافه می‌شوند:
۱. عناصر خاکی کمیاب به تنهایی؛
۲. ترکیبی از Zr و عناصر خاکی کمیاب؛
۳. ترکیبی از عناصر زیرکونیوم، کروم و عناصر خاکی کمیاب.
مقدار کل عناصر خاکی کمیاب معمولاً در محدوده 0.1 تا 0.5 درصد وزنی کنترل می‌شود.
مکانیسم‌های عناصر خاکی کمیاب
عناصر خاکی کمیاب مانند La، Ce، Sc، Er، Gd و Y از طریق مکانیسم‌های متعددی در آلیاژهای آلومینیوم نقش دارند:
ریزدانه‌سازی: عناصر خاکی کمیاب رسوباتی با توزیع یکنواخت تشکیل می‌دهند که به عنوان مکان‌های هسته‌زایی ناهمگن عمل می‌کنند و ساختارهای دندریتی را به دانه‌های ریز هم‌محور تبدیل می‌کنند که باعث بهبود استحکام و شکل‌پذیری می‌شود.
جلوگیری از جدایش: در طول ذوب و انجماد، عناصر خاکی کمیاب توزیع یکنواخت‌تر عناصر را افزایش می‌دهند، تشکیل یوتکتیک را کاهش می‌دهند و چگالی ماتریس را افزایش می‌دهند.
خالص‌سازی زمینه: Y، La و Ce می‌توانند با ناخالصی‌های موجود در مذاب (O، H، N، S) واکنش داده و ترکیبات پایداری تشکیل دهند که باعث کاهش محتوای گاز و آخال‌ها می‌شود و در نتیجه کیفیت آلیاژ را افزایش می‌دهد.
اصلاح رفتار تبلور مجدد: برخی از عناصر خاکی کمیاب می‌توانند مرزهای دانه و زیردانه را محکم کنند و مانع از حرکت نابجایی‌ها و مهاجرت مرز دانه شوند. این امر تبلور مجدد را به تأخیر می‌اندازد و ساختارهای ریز زیردانه را در طول فرآیند حرارتی حفظ می‌کند و هم استحکام و هم مقاومت در برابر خوردگی را بهبود می‌بخشد.
عناصر کلیدی کمیاب زمین و اثرات آنها
اسکاندیم (SC)
Sc کوچکترین شعاع اتمی را در بین عناصر خاکی کمیاب دارد و همچنین یک فلز واسطه است. این عنصر در افزایش خواص آلیاژهای آلومینیوم تغییر شکل یافته بسیار مؤثر است.
در آلیاژهای آلومینیوم، Sc به صورت Al₃Sc رسوب می‌کند که باعث افزایش دمای تبلور مجدد و جلوگیری از درشت شدن دانه‌ها می‌شود.
وقتی با Zr ترکیب می‌شود، ذرات Al₃(Sc,Zr) پایدار در دمای بالا تشکیل می‌شوند که دانه‌های ریز هم‌محور را تقویت کرده و مانع حرکت نابجایی‌ها و مهاجرت مرز دانه‌ها می‌شوند. این امر استحکام، مقاومت در برابر خستگی و عملکرد خوردگی تنشی را بهبود می‌بخشد.
Sc بیش از حد ممکن است منجر به ذرات درشت Al₃(Sc,Zr) شود و توانایی تبلور مجدد، استحکام و شکل‌پذیری را کاهش دهد.
اربیم (Er)
اربنیوم (Er) مشابه اس سی (Sc) عمل می‌کند اما مقرون به صرفه‌تر است.
در آلیاژهای سری 7xxx، افزودن مناسب Er باعث ریز شدن دانه‌ها، مهار حرکت نابجایی‌ها و مهاجرت مرز دانه‌ها، جلوگیری از تبلور مجدد و افزایش استحکام می‌شود.
وقتی با Zr ترکیب می‌شود، ذرات Al₃(Er,Zr) تشکیل می‌شوند که از نظر حرارتی پایدارتر از Al₃Er به تنهایی هستند و سرکوب تبلور مجدد را بهتر فراهم می‌کنند.
مقدار بیش از حد Er ممکن است فازهای Al₈Cu₄Er تولید کند و هم استحکام و هم شکل‌پذیری را کاهش دهد.
گادولینیوم (Gd)
افزودن متوسط گادولینیوم، دانه‌ها را ریز می‌کند، استحکام و شکل‌پذیری را افزایش می‌دهد و حلالیت روی، منیزیم و مس را در زمینه افزایش می‌دهد.
فاز Al₃(Gd,Zr) حاصل، نابجایی‌ها و مرزهای زیردانه را میخکوب می‌کند و مانع از تبلور مجدد می‌شود. همچنین یک لایه فعال روی سطوح دانه تشکیل می‌شود که رشد دانه را محدودتر می‌کند.
Gd بیش از حد می‌تواند باعث درشت شدن دانه‌ها و کاهش خواص مکانیکی شود.
لانتانیم (La)، سریم (Ce) و ایتریم (Y)
لا، دانه‌ها را تصفیه می‌کند، میزان اکسیژن را کاهش می‌دهد و یک لایه فعال روی سطوح دانه تشکیل می‌دهد تا رشد را مهار کند.
La و Ce باعث رسوب ناحیه GP و فاز η′ می‌شوند و استحکام ماتریس و مقاومت در برابر خوردگی را بهبود می‌بخشند.
Y زمینه را خالص می‌کند، مانع از انحلال عناصر آلیاژی اصلی در محلول جامد می‌شود، جوانه‌زنی را افزایش می‌دهد و اختلاف پتانسیل بین مرزدانه‌ها و فضای داخلی را کاهش می‌دهد و مقاومت در برابر خوردگی را افزایش می‌دهد.
La، Ce یا Y بیش از حد ممکن است منجر به ترکیبات درشت بلوکی شود که شکل‌پذیری و استحکام را کاهش می‌دهد.
خواص عناصر خاکی کمیاب اصلی و ویژگی‌های آنها در آلومینیوم
زمان ارسال: ۲۱ آگوست ۲۰۲۵
