Прымяненнерэдказямельныліццё алюмініевых сплаваў вялося раней за мяжой. Хоць Кітай пачаў даследаванні і прымяненне гэтага аспекту толькі ў 1960-х гадах, ён хутка развіваўся. Было праведзена шмат працы ад даследавання механізмаў да практычнага прымянення, і былі дасягнуты некаторыя дасягненні. З даданнем рэдказямельных элементаў механічныя ўласцівасці, ліцейныя ўласцівасці і электрычныя ўласцівасці алюмініевых сплаваў былі значна палепшаны. У галіне новыя матэрыялы, багатыя аптычныя, электрычныя і магнітныя ўласцівасці рэдказямельных элементаў таксама гуляюць важную ролю ў стварэнні рэдказямельных пастаянных магнітных матэрыялаў, рэдказямельных святловыпрамяняльных матэрыялаў, рэдказямельных матэрыялаў для захоўвання вадароду і г.д.
◆ ◆ Механізм дзеяння рэдказямельных элементаў у алюмініі і алюмініевых сплавах ◆ ◆
Рэдказямельныя элементы маюць высокую хімічную актыўнасць, нізкі патэнцыял і асаблівае размяшчэнне электроннага пласта і могуць узаемадзейнічаць амаль з усімі элементамі. Рэдказямельныя элементы, якія звычайна выкарыстоўваюцца ў алюмініі і алюмініевых сплавах, ўключаюць La (лантан), Ce (цэрый), Y (ітрый) і Sc (скандый). Іх часта дадаюць у алюмініевую вадкасць з мадыфікатарамі, зародкаўтваральнікамі і дэгазатарамі, якія могуць ачысціць расплаў, палепшыць структуру, ачысціць зерне і г.д.
01Ачыстка рэдказямельных
Паколькі падчас плаўлення і ліцця алюмініевага сплаву будзе паступаць вялікая колькасць газу і аксідных уключэнняў (галоўным чынам вадароду, кіслароду і азоту), у адліўцы будуць узнікаць дзіркі, расколіны, уключэнні і іншыя дэфекты (гл. малюнак 1а), што зніжае трываласць алюмініевага сплаву. Эфект ачысткі рэдказямельных элементаў у асноўным выяўляецца ў відавочным зніжэнні ўтрымання вадароду ў расплаўленым алюміній, памяншэнне хуткасці адтулін і сітаватасці (гл. малюнак 1b), а таксама памяншэнне ўключэнняў і шкодных элементаў. Асноўная прычына ў тым, што рэдказямельныя рэчывы маюць вялікую блізкасць да вадароду, які можа паглынаць і раствараць вадарод у вялікіх колькасцях і ўтвараць стабільныя злучэнняў без утварэння бурбалак, што значна зніжае ўтрыманне вадароду і сітаватасць алюмінія; Рэдказямельныя і азотныя злучэнні ўтвараюць тугаплаўкія злучэнні, якія ў асноўным выдаляецца ў выглядзе дзындры ў працэсе плаўкі, каб дасягнуць мэты ачысткі вадкасці алюмінія.
Практыка даказала, што рэдказямельны эфект зніжае ўтрыманне вадароду, кіслароду і серы ў алюмініі і алюмініевых сплавах. Даданне 0,1%~0,3% RE ў алюмініевую вадкасць карысна для лепшага выдалення шкодных прымешак, ачысткі прымешак або змены іх марфалогіі, каб ачысціць і раўнамерна размеркаваць збожжа; Акрамя таго, RE і шкодныя прымешкі з нізкай тэмпературай плаўлення ўтвараюць бінарныя злучэнні, такія як RES, REAs і REPb, якія характарызуюцца высокай тэмпературай плаўлення, нізкай шчыльнасцю і стабільнымі хімічнымі ўласцівасцямі, і можна ўсплываць з адукацыяй дзындры і выдаляць, такім чынам чысцячы алюмініевую вадкасць; астатнія дробныя часціцы становяцца гетэрагеннымі ядрамі алюмінія для ачысткі зерняў.
Мал. 1 Марфалогія SEM сплаву 7075 без RE і w (RE)=0,3%
а. RE не дадаецца;b. Дадаць w (RE)=0,3%
02Метамарфізм рэдказямельных элементаў
Рэдказямельная мадыфікацыя ў асноўным выяўляецца ў рафінаванні зерняў і дендрытаў, інгібіраванні з'яўлення грубай пласціністай фазы Т2, ліквідацыі грубай масіўнай фазы, размеркаванай у першасным крышталі і фарміраванні сферычнай фазы, так што злучэнні палос і фрагментаў на мяжы зерняў значна памяншаюцца (гл. малюнак 2). Як правіла, радыус рэдказямельнага атама большы, чым у атама алюмінію, і яго ўласцівасці адносна актыўны. Плаўленнем алюмініевай вадкасці вельмі лёгка запоўніць дэфекты паверхні фазы сплаву, што зніжае павярхоўнае нацяжэнне на мяжы паміж новай і старой фазамі і паляпшае хуткасць росту ядра крышталя; у той жа час ён таксама можа ўтвараць паверхню актыўная плёнка паміж зернямі і расплаўленай вадкасцю, каб прадухіліць рост генераваных зерняў і палепшыць структуру сплаву (гл. малюнак 2b).
Мал. 2 Мікраструктура сплаваў з рознымі дадаткамі РЭ
а. RE дазавання 0; b. RE дадатак складае 0,3%; c. Дабаўка RE складае 0,7%
Пасля дадання рэдказямельных элементаўαЗерне фазы (Al) пачало станавіцца меншым, што адыграла ролю ў ачыстцы збожжаα(Al), ператворанага ў форму маленькай ружы ці стрыжня, калі ўтрыманне рэдказямельных элементаў складае 0,3%αПамер збожжа (Al ) фаза самая малая і паступова ўзрастае з далейшым павелічэннем утрымання рэдказямельных элементаў. Эксперыменты даказалі, што для метамарфізму рэдказямельных элементаў існуе пэўны інкубацыйны перыяд, і толькі калі ён захоўваецца пры высокай тэмпературы на працягу пэўнага перыяду часу, рэдказямельныя будуць гуляць найбольшую ролю ў метамарфізме. Акрамя таго, колькасць крышталічных ядраў злучэнняў, утвораных алюмініем і рэдказямельнымі элементамі, значна павялічваецца, калі метал крышталізуецца, што таксама робіць структура сплаву ўдакладнена. Даследаванне паказвае, што рэдказямельныя рэчывы маюць добры эфект мадыфікацыі алюмініевага сплаву.
03 Эфект микролегирования рэдказямельных элементаў
Рэдказямельныя рэчывы ў асноўным прысутнічаюць у алюмініі і алюмініевых сплавах у трох формах: цвёрды раствор у матрыцы α(Al); сегрэгацыя на мяжы фаз, мяжы зерняў і дэндрытаў; цвёрды раствор у злучэнні або ў выглядзе злучэнняў. Узмацняльны эфект рэдказямельных элементаў у алюмініевыя сплавы ў асноўным уключаюць умацаванне зярністасці, канчатковае ўмацаванне раствора і другую фазу ўмацавання рэдказямельных злучэнняў.
Форма існавання рэдказямельных элементаў у алюмініі і алюмініевых сплавах цесна звязана з колькасцю іх дадання. Як правіла, калі ўтрыманне RE складае менш за 0,1 %, роля RE ў асноўным заключаецца ў умацаванні дробнага зярністасці і ўмацаванні канчатковым растворам; калі ўтрыманне RE складае 0,25 % ~ 0,30 %, RE і Al утвараюць вялікую колькасць сферычных або кароткіх стрыжневых інтэрметалідаў. , якія размеркаваны ў збожжы або на мяжы збожжа, і з'яўляецца вялікая колькасць дыслакацый, дробназярністых сфероидных структур і дысперсных рэдказямельных злучэнняў, што будзе ствараць эфекты мікралегіравання, такія як умацаванне другой фазы.
◆ ◆ Уплыў рэдказямельных элементаў на ўласцівасці алюмінію і алюмініевых сплаваў ◆◆
01 Уплыў рэдказямельных элементаў на комплексныя механічныя ўласцівасці сплаву
Трываласць, цвёрдасць, падаўжэнне, трываласць на разрыў, зносаўстойлівасць і іншыя комплексныя механічныя ўласцівасці сплаву могуць быць палепшаны шляхам дадання адпаведнай колькасці рэдказямельных элементаў. 0,3% RE дадаецца ў літой алюмініевы сплаў серыі ZL10σbад 205,9 МПа да 274 МПа і HB ад 80 да 108; Даданне 0,42% Sc да сплаву 7005σbпавялічыўся з 314MPa да 414MPa,σ0,2павялічыўся з 282 МПа да 378 МПа, пластычнасць павялічылася з 6,8% да 10,1%, а стабільнасць пры высокіх тэмпературах значна палепшылася; La і Ce могуць значна палепшыць звышпластычнасць сплаву. Даданне 0,14%~0,64% La да сплаву Al-6Mg-0,5Mn павялічвае звышпластычнасць з 430% да 800%~1000%; Сістэматычнае даследаванне сплаву Al Si паказвае, што мяжа цякучасці і мяжа трываласці на разрыў сплаву могуць быць значна паляпшаецца шляхам дадання адпаведнай колькасці Sc.Fig. 3 паказвае SEM выгляд разбурэння пры расцяжэнні Al-Si7-Mg0,8сплаву, які паказвае, што гэта тыповы далікатны пералом без RE, у той час як пасля дадання 0,3% RE на разломе з'яўляецца відавочная структура ямачак, што паказвае на добрую трываласць і пластычнасць.
Мал. 3 Марфалогія пералому пры расцяжэнні
а. Не далучыўся да RE;b. Дадайце 0,3% RE
02Уплыў рэдказямельных элементаў на высокатэмпературныя ўласцівасці сплаваў
Даданне пэўнай колькасцірэдказямельныу алюмініевы сплаў можа эфектыўна палепшыць устойлівасць алюмініевага сплаву да акіслення пры высокіх тэмпературах. Даданне 1% ~ 1,5% змешаных рэдказямельных элементаў у літой эўтэктычны сплаў Al Si павялічвае трываласць пры высокіх тэмпературах на 33%, трываласць на разрыў пры высокіх тэмпературах (300 ℃, 1000 гадзін) на 44%, а зносаўстойлівасць і стабільнасць пры высокіх тэмпературах значна палепшыліся; Даданне La, Ce, Y і мішметал для ліцця сплаваў Al Cu могуць палепшыць высокатэмпературныя ўласцівасці сплаваў; хутка зацвярдзелы сплаў Al-8,4% Fe-3,4% Ce можа працаваць працяглы час пры тэмпературы ніжэй за 400 ℃, значна паляпшаючы працоўную тэмпературу алюмініевы сплаў; Sc дадаецца да сплаву Al Mg Si для адукацыі Al3Часціцы Sc, якія няпроста агрубець пры высокай тэмпературы і злучыцца з матрыцай, каб зафіксаваць мяжу зерняў, так што сплаў захоўвае нерэкрышталізаваную структуру падчас адпалу і значна паляпшае высокатэмпературныя ўласцівасці сплаву.
03 Уплыў рэдказямельных элементаў на аптычныя ўласцівасці сплаваў
Даданне рэдказямельных элементаў у алюмініевы сплаў можа змяніць структуру яго паверхні аксіднай плёнкі, робячы паверхню больш яркай і прыгожай. Калі да алюмініевага сплаву дадаецца 0,12%~0,25% RE, адбівальная здольнасць акісленага і афарбаванага профілю 6063 дасягае 92%;Калі да літога алюмініевага сплаву Al Mg дадаецца 0,1%~0,3% RE, сплаў можа атрымаць найлепшая аздабленне паверхні і трываласць бляску.
04 Уплыў рэдказямельных элементаў на электрычныя ўласцівасці сплаваў
Даданне RE да алюмінію высокай чысціні шкодзіць праводнасці сплаву, але праводнасць можна ў пэўнай ступені палепшыць шляхам дадання адпаведнага RE да прамысловага чыстага алюмінію і правадзячых сплаваў Al Mg Si. Эксперыментальныя вынікі паказваюць, што праводнасць алюмінія можа быць палепшана на 2% ~ 3% шляхам дадання 0,2% RE. Даданне невялікай колькасці багатых ітрыем рэдказямельных элементаў у сплаў Al Zr можа палепшыць праводнасць сплаву, які быў прыняты большасцю айчынных заводаў па вытворчасці дроту; дадайце рэдказямельныя сляды да алюмінія высокай чысціні, каб зрабіць кандэнсатар з фальгі Al RE. Пры выкарыстанні ў вырабах на 25 кВ паказчык ёмістасці павялічваецца ўдвая, ёмістасць на адзінку аб'ёму павялічваецца ў 5 разоў, маса памяншаецца на 47%, значна памяншаецца аб'ём кандэнсатара.
05Уплыў рэдказямельных элементаў на каразійную ўстойлівасць сплаву
У некаторых умовах эксплуатацыі, асабліва ў прысутнасці іёнаў хларыду, сплавы ўразлівыя да карозіі, шчыліннай карозіі, карозіі пад напругай і каразійнай стомленасці. Каб палепшыць каразійную стойкасць алюмініевых сплаваў, было праведзена шмат даследаванняў. Устаноўлена, што даданне адпаведнай колькасці рэдказямельных элементаў у алюмініевыя сплавы можа эфектыўна палепшыць іх каразійную ўстойлівасць. Узоры, зробленыя шляхам дадання рознай колькасці змешаных рэдказямельных элементаў (0,1%~0,5%) у алюміній, замочвалі ў расоле і штучнай марской вадзе на працягу трох паслядоўных выпрабаванняў. гадоў. Вынікі паказваюць, што даданне невялікай колькасці рэдказямельных элементаў да алюмінію можа палепшыць каразійную ўстойлівасць алюмінія, а каразійная стойкасць у расоле і штучнай марской вадзе на 24% і 32% вышэй, чым у алюмінія адпаведна; выкарыстанне метаду хімічнай пары і дабаўленне рэдказямельны шматкампанентны пенетрант (La, Ce і г.д.), пласт рэдказямельнай канверсійнай плёнкі можа быць сфарміраваны на паверхні 2024 г. сплаў, што робіць патэнцыял паверхні электрода алюмініевага сплаву аднастайным і паляпшае ўстойлівасць да міжкрысталічнай карозіі і карозіі пад напругай; даданне La да алюмініевага сплаву з высокім утрыманнем магнію можа значна палепшыць антыкаразійную здольнасць сплаву; даданне 1,5%~2,5 % Nd да алюмініевых сплаваў можа палепшыць характарыстыкі пры высокіх тэмпературах, паветранепранікальнасць і ўстойлівасць да карозіі сплаваў, якія шырока выкарыстоўваюцца ў якасці аэракасмічных матэрыялаў.
◆ ◆ Тэхналогія падрыхтоўкі рэдказямельнага алюмініевага сплаву ◆ ◆
Рэдказямельныя ў асноўным дадаюць у выглядзе мікраэлементаў у алюмініевых сплавах і іншых сплавах. Рэдказямельныя рэчывы маюць высокую хімічную актыўнасць, высокую тэмпературу плаўлення і лёгка акісляюцца і спальваюцца пры высокіх тэмпературах. Гэта выклікала пэўныя цяжкасці ў падрыхтоўцы і ўжыванні рэдказямельных алюмініевых сплаваў. У працяглых эксперыментальных даследаваннях людзі працягваюць даследаваць метады падрыхтоўкі рэдказямельных алюмініевых сплаваў. У цяперашні час асноўныя метады вытворчасці рэдказямельных алюмініевых сплаваў метад змешвання, метад электролізу расплаўленай солі і алюмінатэрмічны метад аднаўлення.
01 Спосаб змешвання
Метад змешанага плаўлення заключаецца ў даданні рэдказямельных або змешаных рэдказямельных металаў у высокатэмпературную алюмініевую вадкасць у прапорцыі, каб зрабіць лігатуру або сплаў для нанясення, а затым расплаўляць лігатуру і астатні алюміній у адпаведнасці з разлічаным запасам разам, цалкам змяшаць і рафінаваць .
02 Электроліз
Метад электролізу расплаўленай солі заключаецца ў даданні рэдказямельнага аксіду або рэдказямельнай солі ў прамысловы алюмініевы электралізер і электролізе з аксідам алюмінія для атрымання рэдказямельнага алюмініевага сплаву. Метад электролізу расплаўленай солі адносна хутка развіўся ў Кітаі. Як правіла, існуе два спосабу, а менавіта метад з вадкім катодам і электралітычны эўтэктоідны метад. У цяперашні час было распрацавана, што рэдказямельныя злучэнні можна непасрэдна дадаваць у прамысловыя алюмініевыя электралізеры, а рэдказямельныя алюмініевыя сплавы можна вырабляць электролізам хларыдных расплаваў эўтэктоідным метадам.
03 Алюмінатэрмічны метад аднаўлення
Паколькі алюміній валодае моцнай аднаўленчай здольнасцю і можа ўтвараць розныя інтэрметалідныя злучэнні з рэдказямельнымі элементамі, алюміній можна выкарыстоўваць у якасці аднаўляльніка для падрыхтоўкі рэдказямельных алюмініевых сплаваў. Асноўныя хімічныя рэакцыі паказаны ў наступнай формуле:
RE2O3+ 6Al→2REAl2+ Ал2O3
Сярод іх рэдказямельны аксід або дзындра, багатая рэдказямельнымі элементамі, могуць быць выкарыстаны ў якасці рэдказямельнай сыравіны; аднаўляльнікам можа быць прамысловы чысты алюміній або крэмніевы алюміній; тэмпература аднаўлення складае 1400 ℃ ~ 1600 ℃. На ранняй стадыі гэта было праведзена пры ўмове існавання награвальнага агента і флюсу, і высокая тэмпература аднаўлення можа выклікаць шмат праблем; у апошнія гады даследчыкі распрацавалі новы алюмінатэрмічны метад аднаўлення. Пры больш нізкай тэмпературы (780 ℃) алюмінатэрмічная рэакцыя аднаўлення завяршаецца ў сістэме фтарыду натрыю і хларыду натрыю, што дазваляе пазбегнуць праблем, выкліканых зыходнай высокай тэмпературай.
◆ ◆ Ход прымянення рэдказямельнага алюмініевага сплаву ◆ ◆
01 Прымяненне рэдказямельнага алюмініевага сплаву ў энергетыцы
Дзякуючы такім перавагам, як добрая праводнасць, вялікая прапускная здольнасць па току, высокая трываласць, зносаўстойлівасць, лёгкая апрацоўка і працяглы тэрмін службы, рэдказямельны алюмініевы сплаў можа быць выкарыстаны для вытворчасці кабеляў, паветраных ліній электраперадачы, правадоў, слізгальных правадоў і тонкіх правадоў для спецыяльнага прызначэння. Даданне невялікай колькасці RE ў сістэму сплаву Al Si можа палепшыць праводнасць, таму што крэмній у алюмініевым сплаве з'яўляецца прымесным элементам з высокай ўтрыманне, якое аказвае большы ўплыў на электрычныя ўласцівасці. Даданне адпаведнай колькасці рэдказямельных элементаў можа палепшыць існуючую марфалогію і размеркаванне крэмнію ў сплаве, што можа эфектыўна палепшыць электрычныя ўласцівасці алюмінія; даданне невялікай колькасці ітрыю або багатай ітрыем змешанай рэдказямельнай тканіны ў дрот з тэрмаўстойлівага алюмініевага сплаву можа не толькі падтрымліваць добрую высокатэмпературную прадукцыйнасць, але і паляпшаць праводнасць; рэдказямельныя рэчывы могуць палепшыць трываласць на разрыў, тэрмаўстойлівасць і ўстойлівасць да карозіі сістэмы з алюмініевага сплаву. Кабелі і праваднікі з рэдказямельнага алюмініевага сплаву могуць павялічыць пралёт кабельнай вежы і падоўжыць тэрмін службы кабеляў.
02Прымяненне рэдказямельнага алюмініевага сплаву ў будаўнічай прамысловасці
Алюмініевы сплаў 6063 найбольш шырока выкарыстоўваецца ў будаўнічай галіны. Даданне 0,15% ~ 0,25% рэдказямельных элементаў можа значна палепшыць структуру адлівак і структуру апрацоўкі, а таксама можа палепшыць прадукцыйнасць экструзіі, эфект тэрмічнай апрацоўкі, механічныя ўласцівасці, каразійную стойкасць, апрацоўку паверхні і каляровы тон. Выяўлена, што рэдказямельныя рэчывы у асноўным распаўсюджаны ў алюмініевым сплаве 6063α-Al нейтралізуе мяжу фаз, мяжу зерняў і міждэндрытныя, і яны раствараюцца ў злучэннях або існуюць у выглядзе злучэнняў для ўдасканалення структуры дендрытаў і зерняў, так што памер нерастворанай эўтэктыкі і памер ямачкі ў вобласці ямачкі становяцца значна меншымі, размеркаванне раўнамерным, а шчыльнасць павялічваецца, так што розныя ўласцівасці сплаву паляпшаюцца ў рознай ступені. Напрыклад, трываласць профілю павялічваецца больш чым на 20%, адноснае падаўжэнне павялічваецца на 50%, а хуткасць карозіі зніжаецца больш чым удвая, таўшчыня аксіднай плёнкі павялічваецца на 5%~8%, і ўласцівасць афарбоўвання павялічваецца прыкладна на 3%.Таму шырока выкарыстоўваюцца будаўнічыя профілі са сплаву RE-6063.
03Прымяненне рэдказямельнага алюмініевага сплаву ў паўсядзённых прадуктах
Даданне слядоў рэдказямельных элементаў да чыстага алюмінію і алюмініевых сплаваў серыі Al Mg для штодзённага выкарыстання вырабаў з алюмінія можа значна палепшыць механічныя ўласцівасці, уласцівасць глыбокай выцяжкі і ўстойлівасць да карозіі. Штодзённыя прадметы першай неабходнасці, такія як алюмініевыя рондалі, алюмініевыя рондалі, алюмініевыя талеркі, алюмініевыя ланчбоксы, алюмініевыя мэблевыя апоры, алюмініевыя ровары і дэталі бытавой тэхнікі са сплаву Al Mg RE маюць больш чым у два разы каразійная стойкасць, зніжэнне вагі на 10%~15%, павелічэнне ўраджайнасці на 10%~20%, зніжэнне вытворчых выдаткаў на 10%~15%, лепшая прадукцыйнасць глыбокай выцяжкі і глыбокай апрацоўкі ў параўнанні з вырабамі з алюмініевых сплаваў без рэдказямельных элементаў. патрэбы ў рэдказямельных алюмініевых сплавах шырока выкарыстоўваюцца, і прадукцыя значна павялічылася і добра прадаецца на ўнутраным і знешнім рынках.
04 Прымяненне рэдказямельнага алюмініевага сплаву ў іншых аспектах
Даданне некалькіх тысячных долей рэдказямельных элементаў у найбольш шырока выкарыстоўваны ліцейны сплаў серыі Al Si можа значна палепшыць прадукцыйнасць апрацоўкі сплаву. Прадукты многіх марак выкарыстоўваюцца ў самалётах, караблях, аўтамабілях, дызельных рухавіках, матацыклах і браніраваных машынах (поршань, каробка перадач, цыліндр, прыборы і іншыя часткі). У ходзе даследаванняў і прымянення ўстаноўлена, што Sc з'яўляецца найбольш эфектыўным элементам для аптымізаваць структуру і ўласцівасці алюмініевых сплаваў. Ён валодае моцным дысперсійным узмацненнем, узмацненнем зярністасці, узмацненнем раствора і ўзмацненнем мікрасплаваў на алюміній і можа палепшыць трываласць, цвёрдасць, пластычнасць, трываласць, устойлівасць да карозіі, тэрмаўстойлівасць і г.д. сплаваў. Сплавы серыі Sc Al выкарыстоўваюцца ў высокатэхналагічныя галіны прамысловасці, такія як аэракасмічная прамысловасць, караблі, высакахуткасныя цягнікі, лёгкія транспартныя сродкі і г.д.C557Al Серыя Mg Zr Sc скандыевы алюмініевы сплаў, распрацаваны НАСА, валодае высокай трываласцю і стабільнасцю пры высокіх і нізкіх тэмпературах і выкарыстоўваецца для вырабу фюзеляжа і канструктыўных частак самалёта; сплаў 0146Al Cu Li Sc, распрацаваны Расіяй, выкарыстоўваецца для крыягенных паліўных бакаў касмічных караблёў.
З тома 33, выпуску 1 Рэдказямельных элементаў Ван Хуэй, Ян Ань і Юнь Ці
Час публікацыі: 5 ліпеня 2023 г