מחקר מקיף נערך על הוספת יסודות אדמה נדירים (REE) לסגסוגות אלומיניום מסדרות 7xxx, 5xxx ו-2xxx, והראה השפעות בולטות. בפרט, סגסוגות אלומיניום מסדרת 7xxx, המכילות יסודות סגסוגת מרובים, חוות לעתים קרובות הפרדה חמורה במהלך ההיתוך והיציקה, מה שמוביל להיווצרות כמויות משמעותיות של פאזות אאוטקטיות. זה מפחית את הקשיחות ואת העמידות בפני קורוזיה, ופוגע בביצועים הכוללים של הסגסוגת. שילוב יסודות אדמה נדירים בסגסוגות אלומיניום בעלות סגסוגות גבוהות יכול לעדן גרגירים, לדכא הפרדה ולטהר את המטריצה, ובכך לשפר את המיקרו-מבנה והתכונות הכוללות.
לאחרונה, סוג של זיקוק גרגירים סופר-פלסטי זכה לתשומת לב. זיקוקים אלה מנצלים יסודות אדמה נדירים כמו La ו-Ce כדי לשפר את היחלשות גבולות הגרגירים ותת-הגרגירים. זה לא רק מזקק גרגירים אלא גם מקדם פיזור אחיד של משקעים, מדכא התגבשות מחדש ומשפר משמעותית את משיכות הסגסוגת, ובסופו של דבר מגדיל את הפרודוקטיביות בתהליכי שיחול.
בסגסוגות אלומיניום מסדרת 7xxx, יסודות אדמה נדירים מוסיפים בדרך כלל בשלוש דרכים:
1. יסודות אדמה נדירים בלבד;
2. שילוב של Zr ויסודות אדמה נדירים;
3. שילוב של Zr, Cr, ויסודות אדמה נדירים.
התכולה הכוללת של יסודות אדמה נדירים נשלטת בדרך כלל בטווח של 0.1-0.5% משקלי.
מנגנונים של יסודות אדמה נדירים
יסודות אדמה נדירים כגון La, Ce, Sc, Er, Gd ו-Y תורמים לסגסוגות אלומיניום באמצעות מספר מנגנונים:
זיקוק גרגירים: יסודות אדמה נדירים יוצרים משקעים מפוזרים באופן אחיד הפועלים כאתרי התגרענות הטרוגניים, והופכים מבנים דנדריטים לגרגירים עדינים בעלי צירים שווים, מה שמשפר את החוזק והגמישות.
דיכוי הפרדה: במהלך התכה והתמצקות, יסודות אדמה נדירים מקדמים פיזור אחיד יותר של יסודות, מפחיתים היווצרות אוטקטית ומגדילים את צפיפות המטריצה.
טיהור מטריקס: Y, La ו-Ce יכולים להגיב עם זיהומים בהיתוך (O, H, N, S) ליצירת תרכובות יציבות, תוך הפחתת תכולת הגז והתכלילים, מה שמשפר את איכות הסגסוגת.
שינוי התנהגות ההתגבשות מחדש: יסודות אדמה נדירים מסוימים יכולים להצמיד גבולות גרגירים ותת-גרגירים, ולעכב תנועת תזוזה ונדידת גבולות גרגירים. זה מעכב התגבשות מחדש ומשמר מבנים עדינים של תת-גרגירים במהלך עיבוד תרמי, ומשפר הן את החוזק והן את העמידות בפני קורוזיה.
יסודות אדמה נדירים מרכזיים והשפעתם
סקנדיום (Sc)
ל-Sc יש את הרדיוס האטומי הקטן ביותר מבין יסודות אדמה נדירים והוא גם מתכת מעבר. הוא יעיל מאוד בשיפור התכונות של סגסוגות אלומיניום מעוותות.
בסגסוגות אלומיניום, Sc שוקע כ-Al₃Sc קוהרנטי, מה שמעלה את טמפרטורת ההתגבשות מחדש ומדכא את התעבות הגרעינים.
בשילוב עם Zr, נוצרים חלקיקי Al₃(Sc,Zr) יציבים בטמפרטורה גבוהה, מה שמקדם גרגירים דקים בעלי צירים שווים ומעכב תנועת פריקה ונדידת גבולות הגרעינים. זה משפר את החוזק, העמידות לעייפות וביצועי קורוזיה במאמץ.
עודף Sc עלול להוביל ליצירת חלקיקי Al₃(Sc,Zr) גסים, מה שמפחית את יכולת ההתגבשות מחדש, החוזק והגמישות.
ארביום (Er)
Er פועל באופן דומה ל-Sc אך הוא חסכוני יותר.
בסגסוגות מסדרת 7xxx, תוספות Er מתאימות משפרות את החוזק של הגרגירים, מעכבות תנועת תזוזה ונדידת גבולות הגרעינים, מדכאות התגבשות מחדש ומשפרות את החוזק.
כאשר מוסיפים אותם יחד עם Zr, נוצרים חלקיקי Al₃(Er,Zr), שהם יציבים יותר מבחינה תרמית מאשר Al₃Er לבדו, ומספקים דיכוי טוב יותר של התגבשות מחדש.
עודף Er עלול לייצר פאזות Al₈Cu₄Er, מה שמפחית הן את החוזק והן את הגמישות.
גדוליניום (Gd)
תוספות מתונות של Gd מזקקות גרגירים, מגבירות את החוזק והגמישות, ומשפרות את המסיסות של Zn, Mg ו-Cu במטריצה.
פאזת Al₃(Gd,Zr) הנוצרת נוגעת לנקעים ולגבולות תת-גרעינים, ומדכאת התגבשות מחדש. שכבה פעילה נוצרת גם על משטחי הגרעינים, מה שמגביל עוד יותר את צמיחת הגרעינים.
עודף Gd יכול לגרום להתגמשות הגרעינים ולפגוע בתכונות המכניות.
לנתן (La), צריום (Ce) ואיתריום (Y)
לה מזקק גרגרים, מפחית את תכולת החמצן ויוצר שכבה פעילה על פני השטח של גרגרים כדי לעכב צמיחה.
La ו-Ce מקדמים משקעים באזור GP ובפאזה η′, ומשפרים את חוזק המטריצה ועמידות בפני קורוזיה.
Y מטהר את המטריצה, מעכב את המסת יסודות הסגסוגת העיקריים בתמיסה המוצקה, מקדם התגרענות ומפחית את הבדלי הפוטנציאל בין גבולות הגרעין לבין החלקים הפנימיים, ובכך משפר את עמידות הקורוזיה.
עודף La, Ce או Y עלול להוביל ליצירת תרכובות גושיות גסות, אשר מפחיתות את הגמישות והחוזק.
תכונות של יסודות אדמה נדירים עיקריים ומאפייניהם באלומיניום
זמן פרסום: 21 באוגוסט 2025
