Rozsáhlý výzkum byl proveden přidáváním prvků vzácných zemin (REE) do hliníkových slitin řad 7xxx, 5xxx a 2xxx, který ukázal významné účinky. Zejména hliníkové slitiny řady 7xxx, které obsahují více legujících prvků, často docházejí během tavení a odlévání k silné segregaci, což vede k tvorbě významného množství eutektických fází. To snižuje houževnatost a odolnost proti korozi, což ohrožuje celkové vlastnosti slitiny. Začlenění prvků vzácných zemin do vysoce legovaných hliníkových slitin může zjemnit zrna, potlačit segregaci a vyčistit matrici, čímž se zlepší mikrostruktura a celkové vlastnosti.
V poslední době si pozornost získal typ superplastického zjemňovače zrna. Tyto zjemňovače využívají prvky vzácných zemin, jako je La a Ce, k posílení zeslabení hranic zrn a subzrn. To nejen zjemňuje zrna, ale také podporuje rovnoměrné rozptýlení precipitátů, potlačuje rekrystalizaci a výrazně zlepšuje tažnost slitiny, což v konečném důsledku zvyšuje produktivitu v procesech extruze.
V hliníkových slitinách řady 7xxx se prvky vzácných zemin obvykle přidávají třemi způsoby:
1. Pouze prvky vzácných zemin;
2. Kombinace Zr a prvků vzácných zemin;
3. Kombinace Zr, Cr a prvků vzácných zemin.
Celkový obsah prvků vzácných zemin se obvykle pohybuje v rozmezí 0,1–0,5 hmotnostních %.
Mechanismy prvků vzácných zemin
Prvky vzácných zemin, jako jsou La, Ce, Sc, Er, Gd a Y, přispívají k hliníkovým slitinám prostřednictvím několika mechanismů:
Zjemnění zrna: Prvky vzácných zemin tvoří rovnoměrně rozložené sraženiny, které fungují jako heterogenní nukleační místa a přeměňují dendritické struktury na jemná zrna s rovnoměrnými osami, což zlepšuje pevnost a tažnost.
Potlačení segregace: Během tavení a tuhnutí prvky vzácných zemin podporují rovnoměrnější distribuci prvků, snižují tvorbu eutektik a zvyšují hustotu matrice.
Čištění matrice: Y, La a Ce mohou reagovat s nečistotami v tavenině (O, H, N, S) za vzniku stabilních sloučenin, čímž se snižuje obsah plynu a vměstků, což zlepšuje kvalitu slitiny.
Modifikace chování při rekrystalizaci: Některé prvky vzácných zemin mohou narušovat hranice zrn a subzrn, čímž inhibují pohyb dislokací a migraci hranic zrn. To zpomaluje rekrystalizaci a zachovává jemné subzrnné struktury během tepelného zpracování, čímž se zlepšuje jak pevnost, tak odolnost proti korozi.
Klíčové prvky vzácných zemin a jejich účinky
Skandium (Sc)
Sc má nejmenší atomový poloměr mezi prvky vzácných zemin a je také přechodným kovem. Je vysoce účinný při zlepšování vlastností deformovaných hliníkových slitin.
V hliníkových slitinách se Sc vysráží jako koherentní Al₃Sc, čímž se zvyšuje teplota rekrystalizace a potlačuje zhrubnutí zrna.
V kombinaci se Zr se tvoří částice Al₃(Sc,Zr) stabilní za vysokých teplot, které podporují tvorbu rovnoosých jemných zrn a brání pohybu dislokací a migraci po hranicích zrn. To zlepšuje pevnost, odolnost proti únavě a odolnost proti korozi v důsledku napětí.
Nadměrné množství Sc může vést k hrubým částicím Al₃(Sc,Zr), což snižuje schopnost rekrystalizace, pevnost a tažnost.
Erbium (Er)
Er působí podobně jako Sc, ale je cenově výhodnější.
Ve slitinách řady 7xxx vhodné přísady Er zjemňují zrna, inhibují pohyb dislokací a migraci hranic zrn, potlačují rekrystalizaci a zvyšují pevnost.
Při společném přidání se Zr se tvoří částice Al₃(Er,Zr), které jsou tepelně stabilnější než samotný Al₃Er, což lépe potlačuje rekrystalizaci.
Nadměrné množství Er může vést ke vzniku fází Al₈Cu₄Er, což snižuje pevnost i tažnost.
Gadolinium (Gd)
Mírné přídavky Gd zjemňují zrna, zvyšují pevnost a tažnost a zlepšují rozpustnost Zn, Mg a Cu v matrici.
Výsledná fáze Al₃(Gd,Zr) upevňuje dislokace a hranice subzrn, čímž potlačuje rekrystalizaci. Na povrchu zrn se také tvoří aktivní film, který dále omezuje růst zrn.
Nadměrné množství Gd může způsobit zhrubnutí zrna a zhoršení mechanických vlastností.
Lanthan (La), cer (Ce) a yttrium (Y)
La zjemňuje zrna, snižuje obsah kyslíku a vytváří na povrchu zrn aktivní film, který inhibuje růst.
La a Ce podporují precipitaci GP zóny a fáze η′, čímž zlepšují pevnost matrice a odolnost proti korozi.
Y čistí matrici, brání rozpouštění hlavních legujících prvků v pevném roztoku, podporuje nukleaci a snižuje potenciální rozdíly mezi hranicemi zrn a vnitřky, čímž zvyšuje odolnost proti korozi.
Nadměrné množství La, Ce nebo Y může vést k hrubým blokovým směsím, které snižují tažnost a pevnost.
Vlastnosti hlavních prvků vzácných zemin a jejich charakteristiky v hliníku
Čas zveřejnění: 21. srpna 2025
