S'han dut a terme investigacions exhaustives sobre l'addició d'elements de terres rares (TRE) als aliatges d'alumini de les sèries 7xxx, 5xxx i 2xxx, mostrant efectes notables. En particular, els aliatges d'alumini de la sèrie 7xxx, que contenen múltiples elements d'aliatge, sovint experimenten una segregació severa durant la fusió i la colada, cosa que porta a la formació de quantitats significatives de fases eutèctiques. Això redueix la tenacitat i la resistència a la corrosió, comprometent el rendiment general de l'aliatge. La incorporació d'elements de terres rares en aliatges d'alumini altament aliats pot refinar els grans, suprimir la segregació i purificar la matriu, millorant així la microestructura i les propietats generals.
Recentment, ha cridat l'atenció un tipus de refinador de gra superplàstic. Aquests refinadors exploten elements de terres rares com el La i el Ce per millorar l'afebliment dels límits del gra i el subgra. Això no només refina els grans, sinó que també promou una dispersió uniforme dels precipitats, suprimeix la recristal·lització i millora significativament la ductilitat de l'aliatge, augmentant en última instància la productivitat en els processos d'extrusió.
En els aliatges d'alumini de la sèrie 7xxx, els elements de terres rares s'afegeixen generalment de tres maneres:
1. Elements de terres rares sols;
2. Combinació de Zr i elements de terres rares;
3. Combinació de Zr, Cr i elements de terres rares.
El contingut total d'elements de terres rares se sol controlar entre el 0,1 i el 0,5% en pes.
Mecanismes dels elements de terres rares
Els elements de terres rares com ara La, Ce, Sc, Er, Gd i Y contribueixen als aliatges d'alumini a través de múltiples mecanismes:
Refinament del gra: els elements de terres rares formen precipitats uniformement distribuïts que actuen com a llocs de nucleació heterogenis, convertint les estructures dendrítiques en grans fins equiaxials, cosa que millora la resistència i la ductilitat.
Supressió de la segregació: Durant la fusió i la solidificació, els elements de terres rares promouen una distribució més uniforme dels elements, redueixen la formació d'eutèctics i augmenten la densitat de la matriu.
Purificació de la matriu: Y, La i Ce poden reaccionar amb impureses de la fosa (O, H, N, S) per formar compostos estables, reduint el contingut de gas i les inclusions, cosa que millora la qualitat de l'aliatge.
Modificació del comportament de recristal·lització: certs elements de terres rares poden fixar els límits dels gra i subgra, inhibint el moviment de dislocació i la migració dels límits dels gra. Això retarda la recristal·lització i preserva les estructures fines dels subgra durant el processament tèrmic, millorant tant la resistència com la resistència a la corrosió.
Elements clau de les terres rares i els seus efectes
Escandi (Sc)
L'Sc té el radi atòmic més petit entre els elements de terres rares i també és un metall de transició. És molt eficaç per millorar les propietats dels aliatges d'alumini deformats.
En els aliatges d'alumini, l'Sc precipita com a Al₃Sc coherent, augmentant la temperatura de recristal·lització i suprimint l'engrossiment del gra.
Quan es combinen amb Zr, es formen partícules d'Al₃(Sc,Zr) estables a alta temperatura, que promouen grans fins equiaxials i dificulten el moviment de dislocacions i la migració del límit del gra. Això millora la resistència, la resistència a la fatiga i el rendiment de la corrosió sota tensió.
Un excés de Sc pot donar lloc a partícules gruixudes d'Al₃(Sc,Zr), cosa que redueix la capacitat de recristal·lització, la resistència i la ductilitat.
Erbi (Er)
L'Er actua de manera similar a l'Sc però és més rendible.
En els aliatges de la sèrie 7xxx, les addicions d'Er apropiades refinen els grans, inhibeixen el moviment de dislocació i la migració del límit del gra, suprimeixen la recristal·lització i milloren la resistència.
Quan s'afegeixen conjuntament amb Zr, es formen partícules d'Al₃(Er,Zr), que són més estables tèrmicament que l'Al₃Er sol, cosa que proporciona una millor supressió de la recristal·lització.
Un excés d'Er pot produir fases d'Al₈Cu₄Er, reduint tant la resistència com la ductilitat.
Gadolini (Gd)
Les addicions moderades de Gd refinen els grans, augmenten la resistència i la ductilitat i milloren la solubilitat del Zn, Mg i Cu a la matriu.
La fase Al₃(Gd,Zr) resultant fixa les dislocacions i els límits dels subgrans, suprimint la recristal·lització. També es forma una pel·lícula activa a les superfícies dels grans, cosa que limita encara més el creixement dels grans.
Un excés de Gd pot causar l'engrossiment del gra i deteriorar les propietats mecàniques.
Lantà (La), Ceri (Ce) i Itri (Y)
La refina els grans, redueix el contingut d'oxigen i forma una pel·lícula activa a la superfície dels grans per inhibir el creixement.
El La i el Ce promouen la precipitació de la zona GP i de la fase η′, millorant la resistència de la matriu i la resistència a la corrosió.
La Y purifica la matriu, dificulta la dissolució dels principals elements d'aliatge en la solució sòlida, promou la nucleació i redueix les diferències de potencial entre els límits de gra i els interiors, millorant la resistència a la corrosió.
Un excés de La, Ce o Y pot donar lloc a compostos de blocs gruixuts, que redueixen la ductilitat i la resistència.
Propietats dels principals elements de terres rares i les seves característiques en l'alumini
Data de publicació: 21 d'agost de 2025
