L'application deterre rarela coulée d'alliages d'aluminium a été réalisée plus tôt à l'étranger. Bien que la Chine n’ait commencé à rechercher et à appliquer ce domaine que dans les années 1960, celui-ci s’est développé rapidement. De nombreux travaux ont été réalisés depuis la recherche sur les mécanismes jusqu'à l'application pratique, et certaines réalisations ont été réalisées. Avec l'ajout d'éléments de terres rares, les propriétés mécaniques, les propriétés de moulage et les propriétés électriques des alliages d'aluminium ont été considérablement améliorées. Dans le domaine de De nouveaux matériaux, les riches propriétés optiques, électriques et magnétiques des éléments de terres rares jouent également un rôle important dans la fabrication de matériaux magnétiques permanents de terres rares, de matériaux électroluminescents de terres rares, de matériaux de stockage d'hydrogène de terres rares, etc.
◆ ◆ Mécanisme d'action des terres rares en aluminium et alliage d'aluminium ◆ ◆
Les terres rares ont une activité chimique élevée, un faible potentiel et une disposition spéciale des couches électroniques, et peuvent interagir avec presque tous les éléments. Les terres rares couramment utilisées dans l'aluminium et les alliages d'aluminium comprennent La (lanthane), Ce (cérium), Oui (yttrium) et Sc (scandium). Ils sont souvent ajoutés au liquide d'aluminium avec des modificateurs, des agents de nucléation et des agents de dégazage, qui peuvent purifier la masse fondue, améliorer la structure, affiner le grain, etc.
01Purification des terres rares
Comme une grande quantité d'inclusions de gaz et d'oxydes (principalement de l'hydrogène, de l'oxygène et de l'azote) sera introduite lors de la fusion et de la coulée de l'alliage d'aluminium, des trous d'épingle, des fissures, des inclusions et d'autres défauts se produiront dans la pièce coulée (voir Figure 1a), ce qui réduit la résistance de l'alliage d'aluminium. L'effet de purification des terres rares se manifeste principalement par la réduction évidente de la teneur en hydrogène dans l'aluminium fondu, la réduction du taux de piqûres et de la porosité (voir Figure 1b) et la réduction des inclusions et des éléments nocifs. Le principal raison est que les terres rares ont une grande affinité avec l'hydrogène, qui peut absorber et dissoudre l'hydrogène en grande quantité et former des composés stables sans former de bulles, réduisant ainsi considérablement la teneur en hydrogène et la porosité de l'aluminium ; les terres rares et l'azote forment des composés réfractaires, qui sont principalement éliminé sous forme de scories lors du processus de fusion, afin d'atteindre l'objectif de purification du liquide d'aluminium.
La pratique a prouvé que les terres rares ont pour effet de réduire la teneur en hydrogène, oxygène et soufre de l'aluminium et des alliages d'aluminium. L'ajout de 0,1 % à 0,3 % de RE dans un liquide d'aluminium est utile pour mieux éliminer les impuretés nocives, affiner les impuretés ou modifier leur morphologie, de manière à affiner et répartir uniformément les grains. De plus, les RE et les impuretés nocives à faible point de fusion forment des composés binaires tels que RES, REA et REPb, qui se caractérisent par un point de fusion élevé, une faible densité et des propriétés chimiques stables, et peuvent être flottés pour former des scories et éliminés, purifiant ainsi le liquide d'aluminium ; les fines particules restantes devenir des noyaux hétérogènes d’aluminium pour affiner les grains.
Fig. 1 Morphologie SEM de l'alliage 7075 sans RE et w (RE) = 0,3 %
un. RE n’est pas ajouté ;b. Ajouter w (RE)=0,3%
02Métamorphisme des terres rares
La modification des terres rares se manifeste principalement par le raffinage des grains et des dendrites, inhibant l'apparition de la phase lamellaire grossière T2, éliminant la phase massive grossière distribuée dans le cristal primaire et formant une phase sphérique, de sorte que les composés de bandes et de fragments à la limite des grains soient considérablement réduits. (voir Figure 2). Généralement, le rayon de l'atome de terre rare est plus grand que celui de l'atome d'aluminium et ses propriétés sont relativement actives. La fusion dans un liquide d'aluminium permet de combler très facilement les défauts de surface de la phase d'alliage, ce qui réduit la tension superficielle à l'interface entre les phases nouvelles et anciennes et améliore le taux de croissance du noyau cristallin ; en même temps, il peut également former une surface film actif entre les grains et le liquide fondu pour empêcher la croissance des grains générés et affiner la structure de l'alliage (voir Figure 2b).
Fig. 2 Microstructure des alliages avec différents ajouts de RE
un. La dose de RE est de 0 ; b. L'ajout de RE est de 0,3 % ; c. L'ajout de RE est de 0,7 %
Après avoir ajouté des éléments de terres raresαLes grains de la phase (Al) ont commencé à devenir plus petits, ce qui a joué un rôle dans le raffinage des grainsα(Al) transformés en une petite forme de rose ou de bâtonnet, lorsque la teneur en terres rares est de 0,3%αLa taille des grains de (Al ) la phase est la plus petite et augmente progressivement avec l'augmentation de la teneur en terres rares. Des expériences ont prouvé qu'il existe une certaine période d'incubation pour le métamorphisme des terres rares, et seulement lorsqu'elle est maintenue à une température élevée pendant une certaine période de temps, terre rare jouera le plus grand rôle dans le métamorphisme. De plus, le nombre de noyaux cristallins des composés formés par l'aluminium et les terres rares augmente considérablement lorsque le métal cristallise, ce qui affine également la structure de l'alliage. La recherche montre que les terres rares ont un bon effet de modification sur alliage d'aluminium.
03 Effet microalliage des terres rares
Les terres rares existent principalement dans l'aluminium et les alliages d'aluminium sous trois formes : solution solide dans la matrice α (Al) ; Ségrégation à la limite de phase, à la limite de grain et à la limite de dendrite ; Solution solide dans ou sous forme de composé. Les effets de renforcement des terres rares dans les alliages d'aluminium comprennent principalement le renforcement du raffinement des grains, le renforcement des solutions finies et le renforcement de la deuxième phase des composés de terres rares.
La forme d'existence des terres rares dans l'aluminium et les alliages d'aluminium est étroitement liée à leur quantité ajoutée. Généralement, lorsque la teneur en RE est inférieure à 0,1 %, le rôle de RE est principalement le renforcement des grains fins et le renforcement des solutions finies ; lorsque la teneur en RE est de 0,25 % à 0,30 %, RE et Al forment un grand nombre de composés intermétalliques sphériques ou courts. , qui sont distribués dans le grain ou la limite du grain, et un grand nombre de dislocations, des structures sphéroïdisées à grains fins et des composés de terres rares dispersés apparaissent, ce qui produira des effets de micro-alliage tels qu'un renforcement de la deuxième phase.
◆ ◆ Effet des terres rares sur les propriétés de l'aluminium et des alliages d'aluminium ◆◆
01 Effet des terres rares sur les propriétés mécaniques globales de l'alliage
La résistance, la dureté, l'allongement, la ténacité à la rupture, la résistance à l'usure et d'autres propriétés mécaniques complètes de l'alliage peuvent être améliorées en ajoutant une quantité appropriée de terres rares. 0,3 % de RE est ajouté à l'alliage d'aluminium moulé de la série ZL10σbde 205,9 MPa à 274 MPa et HB de 80 à 108 ; ajout de 0,42 % de Sc à l'alliage 7005σbaugmenté de 314MPa à 414MPa,σ0,2augmenté de 282MPa à 378MPa, la plasticité a augmenté de 6,8% à 10,1% et la stabilité à haute température a été considérablement améliorée ; La et Ce peuvent améliorer considérablement la superplasticité de l'alliage. L'ajout de 0,14 % ~ 0,64 % de La à l'alliage Al-6Mg-0,5 Mn augmente la superplasticité de 430 % à 800 % ~ 1 000 % ; une étude systématique de l'alliage Al Si montre que la limite d'élasticité et la résistance à la traction ultime de l'alliage peuvent être considérablement amélioré en ajoutant une quantité appropriée de Sc.Fig. La figure 3 montre l'aspect SEM de la rupture par traction d'Al-Si7-Mg.0,8alliage, ce qui indique qu'il s'agit d'une fracture par clivage fragile typique sans RE, tandis qu'après l'ajout de 0,3 % de RE, une structure de fossettes évidente apparaît dans la fracture, ce qui indique qu'elle a une bonne ténacité et une bonne ductilité.
Fig. 3 Morphologie de rupture par traction
un. Non rejoint RE;b. Ajouter 0,3 % d'ER
02Effet des terres rares sur les propriétés des alliages à haute température
En ajoutant une certaine quantité deterre raredans l'alliage d'aluminium peut améliorer efficacement la résistance à l'oxydation à haute température de l'alliage d'aluminium. L'ajout de 1 % à 1,5 % de terres rares mélangées à l'alliage eutectique Al Si moulé augmente la résistance à haute température de 33 %, la résistance à la rupture à haute température (300 ℃, 1000 heures) de 44 %, et la résistance à l'usure et la stabilité à haute température sont considérablement améliorées ; l'ajout de La, Ce, Y et du mischmetal aux alliages Al Cu coulés peut améliorer les propriétés à haute température de les alliages ; L'alliage Al-8,4 % Fe-3,4 % Ce rapidement solidifié peut fonctionner pendant une longue période en dessous de 400 ℃, améliorant considérablement la température de travail de l'alliage d'aluminium ; Sc est ajouté à l'alliage Al Mg Si pour former Al3Particules Sc qui ne grossissent pas facilement à haute température et adhèrent à la matrice pour fixer la limite des grains, de sorte que l'alliage conserve une structure non recristallisée pendant le recuit et améliore considérablement les propriétés à haute température de l'alliage.
03 Effet des terres rares sur les propriétés optiques des alliages
L'ajout de terres rares dans l'alliage d'aluminium peut modifier la structure de son film d'oxyde de surface, rendant la surface plus brillante et plus belle. Lorsque 0,12 % ~ 0,25 % de RE est ajouté à l'alliage d'aluminium, la réflectivité du profil 6063 oxydé et coloré peut atteindre 92 % ; lorsque 0,1 % ~ 0,3 % RE est ajouté à l'alliage d'aluminium moulé Al Mg, l'alliage peut obtenir la meilleure finition de surface et la meilleure durabilité du brillant.
04 Effet des terres rares sur les propriétés électriques des alliages
L'ajout de RE à l'aluminium de haute pureté est nocif pour la conductivité de l'alliage, mais la conductivité peut être améliorée dans une certaine mesure en ajoutant du RE approprié à l'aluminium pur industriel et aux alliages conducteurs Al Mg Si. Les résultats expérimentaux montrent que la conductivité de l'aluminium peut être amélioré de 2 % à 3 % en ajoutant 0,2 % de RE. L'ajout d'une petite quantité de terres rares riches en yttrium dans l'alliage Al Zr peut améliorer la conductivité de l'alliage, qui a été adopté par la plupart des usines de fils nationales ; ajouter des traces de terres rares à l'aluminium de haute pureté pour fabriquer un condensateur à feuille Al RE. Lorsqu'il est utilisé dans des produits de 25 kV, l'indice de capacité est doublé, la capacité par unité de volume est augmentée de 5 fois, le poids est réduit de 47 % et le volume du condensateur est considérablement réduit.
05Effet des terres rares sur la résistance à la corrosion de l'alliage
Dans certains environnements de service, notamment en présence d'ions chlorure, les alliages sont vulnérables à la corrosion, à la corrosion caverneuse, à la corrosion sous contrainte et à la fatigue par corrosion. Afin d'améliorer la résistance à la corrosion des alliages d'aluminium, de nombreuses études ont été réalisées. Il s'avère que l'ajout d'une quantité appropriée de terres rares aux alliages d'aluminium peut améliorer efficacement leur résistance à la corrosion. Les échantillons réalisés en ajoutant différentes quantités de terres rares mélangées (0,1 % ~ 0,5 %) à l'aluminium ont été trempés dans de la saumure et de l'eau de mer artificielle pendant trois périodes consécutives. années. Les résultats montrent que l'ajout d'une petite quantité de terres rares à l'aluminium peut améliorer la résistance à la corrosion de l'aluminium, et que la résistance à la corrosion dans la saumure et l'eau de mer artificielle est respectivement 24 % et 32 % supérieure à celle de l'aluminium ; en utilisant la méthode de la vapeur chimique et en ajoutant pénétrant multi-composants de terres rares (La, Ce, etc.), une couche de film de conversion de terres rares peut être formée sur la surface de l'alliage 2024, ce qui rend le potentiel d'électrode de surface de l'alliage d'aluminium tendant à être uniforme et améliorant la résistance à corrosion intergranulaire et corrosion sous contrainte ; l'ajout de La à un alliage d'aluminium à haute teneur en magnésium peut améliorer considérablement la capacité anti-corrosion marine de l'alliage ; l'ajout de 1,5 % à 2,5 % de Nd aux alliages d'aluminium peut améliorer les performances à haute température, l'étanchéité à l'air et la résistance à la corrosion du alliages, largement utilisés comme matériaux aérospatiaux.
◆ ◆ Technologie de préparation d'alliage d'aluminium de terres rares ◆ ◆
Les terres rares sont principalement ajoutées sous forme d’oligo-éléments dans les alliages d’aluminium et autres alliages. Les terres rares ont une activité chimique élevée, un point de fusion élevé et sont faciles à oxyder et à brûler à haute température. Cela a entraîné certaines difficultés dans la préparation et l'application des alliages d'aluminium des terres rares. Dans le cadre de recherches expérimentales à long terme, les gens continuent d'explorer les méthodes de préparation des alliages d'aluminium des terres rares. À l'heure actuelle, les principales méthodes de production pour la préparation des alliages d'aluminium des terres rares sont la méthode de mélange, la méthode d'électrolyse des sels fondus et la méthode de réduction aluminothermique.
01 Méthode de mélange
La méthode de fusion mixte consiste à ajouter des terres rares ou des métaux de terres rares mélangés dans un liquide d'aluminium à haute température en proportion pour fabriquer un alliage maître ou un alliage d'application, puis à faire fondre ensemble l'alliage maître et l'aluminium restant selon la tolérance calculée, à remuer complètement et à affiner. .
02 Électrolyse
La méthode d'électrolyse aux sels fondus consiste à ajouter de l'oxyde de terres rares ou du sel de terres rares dans la cellule électrolytique d'aluminium industrielle et à électrolyser avec de l'oxyde d'aluminium pour produire un alliage d'aluminium aux terres rares. La méthode d'électrolyse aux sels fondus s'est développée relativement rapidement en Chine. Généralement, il existe deux méthodes, à savoir la méthode à cathode liquide et la méthode eutectoïde électrolytique. À l'heure actuelle, il a été développé que des composés de terres rares peuvent être directement ajoutés aux cellules électrolytiques d'aluminium industrielles, et que des alliages d'aluminium de terres rares peuvent être produits par électrolyse de chlorures fondus par la méthode eutectoïde.
03 Méthode de réduction aluminothermique
Étant donné que l'aluminium a une forte capacité de réduction et que l'aluminium peut former une variété de composés intermétalliques avec les terres rares, l'aluminium peut être utilisé comme agent réducteur pour préparer des alliages d'aluminium de terres rares. Les principales réactions chimiques sont présentées dans la formule suivante :
RE2O3+ 6Al→2REAl2+ Al2O3
Parmi eux, l'oxyde de terres rares ou les scories riches en terres rares peuvent être utilisés comme matières premières de terres rares ; l'agent réducteur peut être de l'aluminium pur industriel ou de l'aluminium-silicium ; la température de réduction est de 1400 ℃ ~ 1600 ℃. Au début, il a été effectué dans des conditions d'existence d'un agent chauffant et d'un flux, et une température de réduction élevée poserait de nombreux problèmes ; ces dernières années, les chercheurs ont développé une nouvelle méthode de réduction aluminothermique. À une température plus basse (780 ℃), la réaction de réduction aluminothermique est complétée dans le système de fluorure de sodium et de chlorure de sodium, ce qui évite les problèmes causés par la température élevée d'origine.
◆ ◆ Progrès de l'application de l'alliage d'aluminium aux terres rares ◆ ◆
01 Application de l'alliage d'aluminium des terres rares dans l'industrie électrique
En raison des avantages d'une bonne conductivité, d'une grande capacité de transport de courant, d'une résistance élevée, d'une résistance à l'usure, d'un traitement facile et d'une longue durée de vie, l'alliage d'aluminium de terres rares peut être utilisé pour fabriquer des câbles, des lignes aériennes de transmission, des âmes de fil, des fils coulissants et des fils fins pour à des fins spéciales.L'ajout d'une petite quantité de RE dans le système d'alliage Al Si peut améliorer la conductivité, car le silicium dans l'alliage d'aluminium est un élément d'impureté à teneur élevée, ce qui a un plus grand impact sur les propriétés électriques. L'ajout d'une quantité appropriée de terres rares peut améliorer la morphologie et la distribution existantes du silicium dans l'alliage, ce qui peut améliorer efficacement les propriétés électriques de l'aluminium ; ajouter une petite quantité d'yttrium ou de terres rares mélangées riches en yttrium dans le fil en alliage d'aluminium résistant à la chaleur. peut non seulement maintenir de bonnes performances à haute température, mais également améliorer la conductivité ; les terres rares peuvent améliorer la résistance à la traction, la résistance à la chaleur et la résistance à la corrosion du système en alliage d'aluminium. Les câbles et conducteurs en alliage d'aluminium de terres rares peuvent augmenter la portée de la tour de câbles et prolonger la durée de vie des câbles.
02Application d'un alliage d'aluminium de terres rares dans l'industrie de la construction
L'alliage d'aluminium 6063 est le plus utilisé dans l'industrie de la construction. L'ajout de 0,15 % à 0,25 % de terres rares peut améliorer considérablement la structure moulée et la structure de traitement, ainsi que les performances d'extrusion, l'effet de traitement thermique, les propriétés mécaniques, la résistance à la corrosion, les performances de traitement de surface et la tonalité de couleur. Il s'avère que les terres rares sont principalement distribué dans l'alliage d'aluminium 6063α-Al neutralise la limite de phase, la limite de grain et l'interdendritique, et ils sont dissous dans des composés ou existent sous forme de composés pour affiner la structure des dendrites et les grains, de sorte que la taille du l'eutectique non dissous et la taille de la fossette dans la zone de fossette deviennent considérablement plus petites, la distribution est uniforme et la densité augmente, de sorte que les diverses propriétés de l'alliage sont améliorées à des degrés divers. Par exemple, la résistance du profil est augmentée de plus de 20 %, l'allongement est augmenté de 50 % et le taux de corrosion est réduit de plus de deux fois. L'épaisseur du film d'oxyde augmente de 5 % à 8 % et la propriété colorante augmente d'environ 3 %. Par conséquent, les profilés de construction en alliage RE-6063 sont largement utilisés.
03Application d'un alliage d'aluminium de terres rares dans les produits quotidiens
L'ajout de traces de terres rares à l'aluminium pur et aux alliages d'aluminium de la série Al Mg pour les produits en aluminium à usage quotidien peut améliorer considérablement les propriétés mécaniques, la propriété d'emboutissage profond et la résistance à la corrosion. Les nécessités quotidiennes telles que les casseroles en aluminium, les poêles en aluminium, les assiettes en aluminium, les boîtes à lunch en aluminium, les supports de meubles en aluminium, les vélos en aluminium et les pièces d'appareils électroménagers en alliage Al Mg RE ont une résistance à la corrosion plus de deux fois supérieure, une réduction de poids de 10 % à 15 %, une augmentation du rendement de 10 % à 20 %, une réduction des coûts de production de 10 % à 15 %, et de meilleures performances d'emboutissage profond et de traitement en profondeur par rapport aux produits en alliage d'aluminium sans terres rares. À l'heure actuelle, les nécessités quotidiennes de l'alliage d'aluminium de terres rares ont été largement utilisées, et les produits ont considérablement augmenté et sont bien vendus sur les marchés nationaux et étrangers. .
04 Application d'un alliage d'aluminium de terres rares dans d'autres aspects
L'ajout de quelques millièmes de terres rares dans l'alliage de coulée de la série Al Si le plus largement utilisé peut améliorer considérablement les performances d'usinage de l'alliage. De nombreuses marques de produits ont été utilisées dans les avions, les navires, les automobiles, les moteurs diesel, les motos et les véhicules blindés (piston, boîte de vitesses, cylindre, instrumentation et autres pièces). Dans la recherche et l'application, il s'avère que Sc est l'élément le plus efficace pour optimiser la structure et les propriétés des alliages d'aluminium. Il a un fort renforcement de la dispersion, un renforcement du raffinement du grain, un renforcement de la solution et des effets de renforcement des microalliages sur l'aluminium, et peut améliorer la résistance, la dureté, la plasticité, la ténacité, la résistance à la corrosion, la résistance à la chaleur, etc. des alliages. Les alliages de la série Sc Al ont été utilisés dans industries de haute technologie telles que l'aérospatiale, les navires, les trains à grande vitesse, les véhicules légers, etc. L'alliage d'aluminium scandium de la série C557Al Mg Zr Sc développé par la NASA présente une résistance élevée, une stabilité à haute température et à basse température et a été appliqué au fuselage d'avion et pièces structurelles d'avions ; L'alliage 0146Al Cu Li Sc développé par la Russie a été appliqué au réservoir de carburant cryogénique des engins spatiaux.
Extrait du volume 33, numéro 1 de Rare Earth par Wang Hui, Yang An et Yun Qi
Heure de publication : 05 juillet 2023