Nghiên cứu sâu rộng đã được tiến hành về việc bổ sung các nguyên tố đất hiếm (REE) vào hợp kim nhôm dòng 7xxx, 5xxx và 2xxx, cho thấy những hiệu ứng đáng chú ý. Đặc biệt, hợp kim nhôm dòng 7xxx, chứa nhiều nguyên tố hợp kim, thường bị phân ly nghiêm trọng trong quá trình nấu chảy và đúc, dẫn đến hình thành một lượng lớn pha eutectic. Điều này làm giảm độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn, ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của hợp kim. Việc bổ sung các nguyên tố đất hiếm vào hợp kim nhôm hợp kim cao có thể tinh chế hạt, ngăn chặn sự phân ly và làm sạch nền, từ đó cải thiện cấu trúc vi mô và các tính chất tổng thể.
Gần đây, một loại máy tinh luyện hạt siêu dẻo đã thu hút sự chú ý. Các máy tinh luyện này khai thác các nguyên tố đất hiếm như La và Ce để tăng cường làm yếu ranh giới hạt và lớp dưới hạt. Điều này không chỉ tinh luyện hạt mà còn thúc đẩy sự phân tán đồng đều của các chất kết tủa, ngăn chặn sự tái kết tinh và cải thiện đáng kể độ dẻo của hợp kim, cuối cùng là tăng năng suất trong các quy trình đùn.
Trong hợp kim nhôm dòng 7xxx, các nguyên tố đất hiếm thường được thêm vào theo ba cách:
1. Chỉ riêng các nguyên tố đất hiếm;
2. Sự kết hợp của Zr và các nguyên tố đất hiếm;
3. Sự kết hợp của Zr, Cr và các nguyên tố đất hiếm.
Tổng hàm lượng các nguyên tố đất hiếm thường được kiểm soát trong khoảng 0,1–0,5 wt%.
Cơ chế của các nguyên tố đất hiếm
Các nguyên tố đất hiếm như La, Ce, Sc, Er, Gd và Y góp phần tạo nên hợp kim nhôm thông qua nhiều cơ chế:
Tinh chế hạt: Các nguyên tố đất hiếm tạo thành các chất kết tủa phân bố đồng đều hoạt động như các vị trí hình thành hạt không đồng nhất, chuyển đổi cấu trúc dạng cây thành các hạt mịn có trục bằng nhau, giúp cải thiện độ bền và độ dẻo.
Ngăn chặn sự phân tách: Trong quá trình nóng chảy và đông đặc, các nguyên tố đất hiếm thúc đẩy sự phân bố nguyên tố đồng đều hơn, giảm sự hình thành eutectic và tăng mật độ ma trận.
Tinh chế ma trận: Y, La và Ce có thể phản ứng với tạp chất trong hỗn hợp nóng chảy (O, H, N, S) để tạo thành các hợp chất ổn định, làm giảm hàm lượng khí và tạp chất, giúp nâng cao chất lượng hợp kim.
Điều chỉnh hành vi tái kết tinh: Một số nguyên tố đất hiếm có thể giữ chặt ranh giới hạt và lớp dưới hạt, ức chế chuyển động lệch vị trí và sự di chuyển ranh giới hạt. Điều này làm chậm quá trình tái kết tinh và bảo vệ các cấu trúc lớp dưới hạt mịn trong quá trình xử lý nhiệt, cải thiện cả độ bền và khả năng chống ăn mòn.
Các nguyên tố đất hiếm chính và tác dụng của chúng
Scandi (Sc)
Sc có bán kính nguyên tử nhỏ nhất trong số các nguyên tố đất hiếm và cũng là một kim loại chuyển tiếp. Nó rất hiệu quả trong việc cải thiện các tính chất của hợp kim nhôm biến dạng.
Trong hợp kim nhôm, Sc kết tủa dưới dạng Al₃Sc kết dính, làm tăng nhiệt độ kết tinh lại và ngăn chặn quá trình hạt thô.
Khi kết hợp với Zr, các hạt Al₃(Sc,Zr) ổn định ở nhiệt độ cao được hình thành, thúc đẩy các hạt mịn cân bằng trục và ngăn cản chuyển động lệch vị trí và di chuyển ranh giới hạt. Điều này cải thiện độ bền, khả năng chống mỏi và hiệu suất chống ăn mòn ứng suất.
Lượng Sc quá nhiều có thể tạo ra các hạt Al₃(Sc,Zr) thô, làm giảm khả năng kết tinh lại, độ bền và độ dẻo.
Erbi (Er)
Er có tác dụng tương tự như Sc nhưng hiệu quả hơn về mặt chi phí.
Trong hợp kim dòng 7xxx, việc bổ sung Er thích hợp sẽ làm tinh chỉnh các hạt, ức chế chuyển động lệch vị trí và di chuyển ranh giới hạt, ngăn chặn sự kết tinh lại và tăng cường độ bền.
Khi được thêm vào cùng với Zr, các hạt Al₃(Er,Zr) sẽ hình thành, có độ ổn định nhiệt cao hơn so với Al₃Er riêng lẻ, giúp ngăn chặn sự kết tinh lại tốt hơn.
Er quá mức có thể tạo ra pha Al₈Cu₄Er, làm giảm cả độ bền và độ dẻo.
Gadolinium (Gd)
Việc bổ sung Gd vừa phải sẽ làm mịn hạt, tăng độ bền và độ dẻo, đồng thời tăng cường độ hòa tan của Zn, Mg và Cu trong chất nền.
Pha Al₃(Gd,Zr) tạo ra các điểm lệch pha và ranh giới dưới hạt, ngăn chặn sự tái kết tinh. Một lớp màng hoạt tính cũng hình thành trên bề mặt hạt, hạn chế hơn nữa sự phát triển của hạt.
Gd quá mức có thể làm hạt thô hơn và làm giảm tính chất cơ học.
Lanthanum (La), Cerium (Ce) và Yttrium (Y)
La làm mịn hạt, giảm hàm lượng oxy và tạo thành lớp màng hoạt tính trên bề mặt hạt để ức chế sự phát triển.
La và Ce thúc đẩy sự kết tủa vùng GP và pha η′, cải thiện độ bền của nền và khả năng chống ăn mòn.
Y làm sạch ma trận, ngăn cản sự hòa tan của các nguyên tố hợp kim chính vào dung dịch rắn, thúc đẩy quá trình hình thành hạt và giảm sự khác biệt tiềm ẩn giữa ranh giới hạt và bên trong, tăng cường khả năng chống ăn mòn.
Lượng La, Ce hoặc Y quá nhiều có thể dẫn đến các hợp chất dạng khối thô, làm giảm độ dẻo và độ bền.
Tính chất của các nguyên tố đất hiếm chính và đặc điểm của chúng trong nhôm
Thời gian đăng: 21-08-2025
