Er is uitgebreid onderzoek gedaan naar de toevoeging van zeldzame aardmetalen (REE's) aan aluminiumlegeringen uit de 7xxx-, 5xxx- en 2xxx-serie, wat opmerkelijke effecten heeft laten zien. Met name aluminiumlegeringen uit de 7xxx-serie, die meerdere legeringselementen bevatten, ondervinden vaak ernstige segregatie tijdens het smelten en gieten, wat leidt tot de vorming van aanzienlijke hoeveelheden eutectische fasen. Dit vermindert de taaiheid en corrosiebestendigheid, wat de algehele prestaties van de legering in gevaar brengt. De toevoeging van zeldzame aardmetalen aan hooggelegeerde aluminiumlegeringen kan de korrels verfijnen, segregatie onderdrukken en de matrix zuiveren, waardoor de microstructuur en de algehele eigenschappen worden verbeterd.
Recentelijk heeft een type superplastische korrelverfijner de aandacht getrokken. Deze verfijners benutten zeldzame aardmetalen zoals La en Ce om de verzwakking van korrel- en subkorrelgrenzen te verbeteren. Dit verfijnt niet alleen de korrels, maar bevordert ook een uniforme verspreiding van precipitaten, onderdrukt rekristallisatie en verbetert de ductiliteit van de legering aanzienlijk, wat uiteindelijk de productiviteit in extrusieprocessen verhoogt.
In aluminiumlegeringen van de 7xxx-serie worden zeldzame aardmetalen over het algemeen op drie manieren toegevoegd:
1.Zeldzame aardmetalen alleen;
2. Combinatie van Zr en zeldzame aardelementen;
3. Combinatie van Zr, Cr en zeldzame aardmetalen.
Het totale gehalte aan zeldzame aardmetalen wordt doorgaans beperkt tot 0,1–0,5 gew.%.
Mechanismen van zeldzame aardelementen
Zeldzame aardmetalen zoals La, Ce, Sc, Er, Gd en Y dragen via meerdere mechanismen bij aan aluminiumlegeringen:
Korrelverfijning: Zeldzame aardmetalen vormen gelijkmatig verdeelde neerslagen die fungeren als heterogene nucleatieplaatsen, waardoor dendritische structuren worden omgezet in gelijkassige fijne korrels, wat de sterkte en ductiliteit verbetert.
Onderdrukking van segregatie: Tijdens het smelten en stollen zorgen zeldzame aardmetalen voor een gelijkmatigere elementverdeling, verminderen ze de vorming van eutectische stoffen en verhogen ze de matrixdichtheid.
Matrixzuivering: Y, La en Ce kunnen reageren met onzuiverheden in de smelt (O, H, N, S) om stabiele verbindingen te vormen, waardoor het gasgehalte en de insluitsels worden verlaagd en de kwaliteit van de legering verbetert.
Wijziging van rekristallisatiegedrag: Bepaalde zeldzame aardmetalen kunnen korrel- en subkorrelgrenzen vastzetten, waardoor dislocatiebeweging en korrelgrensmigratie worden geremd. Dit vertraagt de rekristallisatie en behoudt fijne subkorrelstructuren tijdens thermische verwerking, wat zowel de sterkte als de corrosiebestendigheid verbetert.
Belangrijke zeldzame aardelementen en hun effecten
Scandium (Sc)
Sc heeft de kleinste atoomstraal van alle zeldzame aardmetalen en is tevens een overgangsmetaal. Het is zeer effectief in het verbeteren van de eigenschappen van vervormde aluminiumlegeringen.
In aluminiumlegeringen slaat Sc neer als coherent Al₃Sc, waardoor de rekristallisatietemperatuur toeneemt en korrelvergroving wordt onderdrukt.
In combinatie met Zr vormen zich bij hoge temperaturen stabiele Al₃(Sc,Zr)-deeltjes, die equiaxiale fijne korrels bevorderen en dislocatiebeweging en korrelgrensmigratie verhinderen. Dit verbetert de sterkte, vermoeiingsweerstand en spanningscorrosieprestaties.
Een teveel aan Sc kan leiden tot grove Al₃(Sc,Zr)-deeltjes, waardoor het herkristallisatievermogen, de sterkte en de ductiliteit afnemen.
Erbium (Er)
Er werkt op een vergelijkbare manier als Sc, maar is kosteneffectiever.
In legeringen van de 7xxx-serie zorgen de juiste Er-toevoegingen voor een verfijnde korrel, voor het remmen van dislocatiebeweging en korrelgrensmigratie, het onderdrukken van rekristallisatie en het verbeteren van de sterkte.
Wanneer er gelijktijdig Zr aan wordt toegevoegd, worden er Al₃(Er,Zr)-deeltjes gevormd, die thermisch stabieler zijn dan Al₃Er alleen, en die voor een betere onderdrukking van herkristallisatie zorgen.
Een teveel aan Er kan Al₈Cu₄Er-fasen produceren, waardoor zowel de sterkte als de ductiliteit afnemen.
Gadolinium (Gd)
Matige toevoeging van Gd verfijnt de korrels, verhoogt de sterkte en ductiliteit en verbetert de oplosbaarheid van Zn, Mg en Cu in de matrix.
De resulterende Al₃(Gd,Zr)-fase vormt dislocaties en subkorrelgrenzen, waardoor rekristallisatie wordt onderdrukt. Er vormt zich ook een actieve film op het korreloppervlak, wat de korrelgroei verder beperkt.
Een teveel aan Gd kan ervoor zorgen dat de korrel grover wordt en de mechanische eigenschappen verslechteren.
Lanthaan (La), cerium (Ce) en yttrium (Y)
La verfijnt de korrels, verlaagt het zuurstofgehalte en vormt een actieve film op het oppervlak van de korrels om de groei te remmen.
La en Ce bevorderen de GP-zone en de η′-faseprecipitatie, waardoor de matrixsterkte en corrosiebestendigheid worden verbeterd.
Y zuivert de matrix, verhindert het oplossen van belangrijke legeringselementen in de vaste oplossing, bevordert nucleatie en vermindert potentiaalverschillen tussen korrelgrenzen en binnenruimtes, waardoor de corrosiebestendigheid wordt verbeterd.
Een teveel aan La, Ce of Y kan leiden tot grove, blokkerige verbindingen, waardoor de ductiliteit en sterkte afnemen.
Eigenschappen van belangrijke zeldzame aardmetalen en hun kenmerken in aluminium
Plaatsingstijd: 21-08-2025
