Были проведены обширные исследования по добавлению редкоземельных элементов (РЗЭ) в алюминиевые сплавы серий 7xxx, 5xxx и 2xxx, продемонстрировавшие заметный эффект. В частности, алюминиевые сплавы серии 7xxx, содержащие несколько легирующих элементов, часто подвергаются интенсивной сегрегации при плавке и литье, что приводит к образованию значительного количества эвтектических фаз. Это снижает ударную вязкость и коррозионную стойкость, ухудшая общие эксплуатационные характеристики сплава. Введение редкоземельных элементов в высоколегированные алюминиевые сплавы позволяет измельчить зерно, подавить сегрегацию и очистить матрицу, тем самым улучшая микроструктуру и общие свойства.
В последнее время внимание привлекают сверхпластичные измельчители зерна. В этих измельчителях используются редкоземельные элементы, такие как La и Ce, для усиления ослабления границ зерен и субзерен. Это не только измельчает зерна, но и способствует равномерному распределению выделений, подавляет рекристаллизацию и значительно повышает пластичность сплавов, что в конечном итоге повышает производительность процессов экструзии.
В алюминиевые сплавы серии 7xxx редкоземельные элементы обычно добавляют тремя способами:
1. Только редкоземельные элементы;
2.Сочетание Zr и редкоземельных элементов;
3.Сочетание Zr, Cr и редкоземельных элементов.
Общее содержание редкоземельных элементов обычно контролируется в пределах 0,1–0,5 мас.%.
Механизмы редкоземельных элементов
Редкоземельные элементы, такие как La, Ce, Sc, Er, Gd и Y, вносят свой вклад в алюминиевые сплавы посредством нескольких механизмов:
Измельчение зерна: редкоземельные элементы образуют равномерно распределенные осадки, которые действуют как гетерогенные центры зародышеобразования, преобразуя дендритные структуры в равноосные мелкие зерна, что повышает прочность и пластичность.
Подавление сегрегации: в процессе плавления и затвердевания редкоземельные элементы способствуют более равномерному распределению элементов, уменьшают образование эвтектики и увеличивают плотность матрицы.
Очистка матрицы: Y, La и Ce могут реагировать с примесями в расплаве (O, H, N, S) с образованием устойчивых соединений, снижая содержание газа и включений, что повышает качество сплава.
Изменение поведения при рекристаллизации: некоторые редкоземельные элементы могут закреплять границы зерен и субзерен, препятствуя движению дислокаций и миграции границ зерен. Это замедляет рекристаллизацию и сохраняет тонкую субзеренную структуру при термической обработке, повышая прочность и коррозионную стойкость.
Ключевые редкоземельные элементы и их влияние
Скандий (Sc)
Sc имеет наименьший атомный радиус среди редкоземельных элементов и является переходным металлом. Он высокоэффективен для улучшения свойств деформированных алюминиевых сплавов.
В алюминиевых сплавах Sc выделяется в виде когерентного Al₃Sc, повышая температуру рекристаллизации и подавляя укрупнение зерна.
В сочетании с Zr образуются устойчивые к высоким температурам частицы Al₃(Sc,Zr), способствующие формированию равноосных мелких зерен и препятствующие движению дислокаций и миграции границ зерен. Это повышает прочность, усталостную стойкость и стойкость к коррозии под напряжением.
Избыточное содержание Sc может привести к образованию крупных частиц Al₃(Sc,Zr), что снижает способность к рекристаллизации, прочность и пластичность.
Эрбий (Er)
Er действует аналогично Sc, но более экономически эффективен.
В сплавах серии 7xxx соответствующие добавки Er измельчают зерна, подавляют движение дислокаций и миграцию границ зерен, подавляют рекристаллизацию и повышают прочность.
При совместном добавлении с Zr образуются частицы Al₃(Er,Zr), которые более термически стабильны, чем чистый Al₃Er, обеспечивая лучшее подавление рекристаллизации.
Избыток Er может привести к образованию фаз Al₈Cu₄Er, что снижает как прочность, так и пластичность.
Гадолиний (Gd)
Умеренные добавки Gd измельчают зерна, повышают прочность и пластичность, а также улучшают растворимость Zn, Mg и Cu в матрице.
Образующаяся фаза Al₃(Gd,Zr) закрепляет дислокации и границы субзерен, подавляя рекристаллизацию. На поверхности зерен также образуется активная пленка, что дополнительно ограничивает их рост.
Избыток Gd может привести к укрупнению зерна и ухудшению механических свойств.
Лантан (La), церий (Ce) и иттрий (Y)
La измельчает зерна, снижает содержание кислорода и образует на поверхности зерен активную пленку, препятствующую росту.
La и Ce способствуют образованию зоны ГП и выделению фазы η′, повышая прочность матрицы и коррозионную стойкость.
Y очищает матрицу, препятствует растворению основных легирующих элементов в твердом растворе, способствует зародышеобразованию и снижает разницу потенциалов между границами зерен и внутренним пространством, повышая коррозионную стойкость.
Избыточное содержание La, Ce или Y может привести к образованию крупноблочных соединений, что снижает пластичность и прочность.
Свойства основных редкоземельных элементов и их характеристики в алюминии
Время публикации: 21 августа 2025 г.
