Застосуваннярідкоземельнілиття алюмінієвих сплавів проводилося раніше за кордоном. Хоча Китай почав дослідження та застосування цього аспекту лише в 1960-х роках, він швидко розвивався. Було зроблено багато роботи від дослідження механізму до практичного застосування, і було досягнуто певних досягнень. З додаванням рідкоземельних елементів механічні властивості, властивості лиття та електричні властивості алюмінієвих сплавів були значно покращені. У галузі нові матеріали, багаті оптичні, електричні та магнітні властивості рідкоземельних елементів також відіграють важливу роль у створенні рідкоземельних постійних магнітних матеріалів, рідкоземельних світловипромінюючих матеріалів, рідкоземельних матеріалів для зберігання водню тощо.
◆ ◆ Механізм дії рідкоземельних елементів в алюмінії та алюмінієвих сплавах ◆ ◆
Рідкісноземельні елементи мають високу хімічну активність, низький потенціал і особливе розташування електронного шару, і можуть взаємодіяти майже з усіма елементами. Рідкісноземельні елементи, які зазвичай використовуються в алюмінії та алюмінієвих сплавах, включають La (лантан), Ce (церій), Y (ітрій) і Sc (скандій). Їх часто додають в алюмінієву рідину з модифікаторами, зародковими агентами та дегазуючими агентами, які можуть очищати розплав, покращувати структуру, покращувати зерно тощо.
01Очищення рідкоземельних елементів
Оскільки під час плавлення та лиття алюмінієвого сплаву буде надходити велика кількість газу та оксидних включень (головним чином водню, кисню та азоту), у виливку з’являться отвори, тріщини, включення та інші дефекти (див. рис. 1а), що зменшить міцність алюмінієвого сплаву. Ефект очищення рідкоземельних елементів в основному проявляється в очевидному зниженні вмісту водню в розплавленому алюмінії, зменшенні кількості точкових отворів і пористості (див. рис. 1b), а також зменшення включень і шкідливих елементів. Основні причина полягає в тому, що рідкоземельні землі мають велику спорідненість з воднем, який може поглинати та розчиняти водень у великих кількостях і утворювати стабільні сполуки без утворення бульбашок, таким чином значно зменшуючи вміст водню та пористість алюмінію; рідкоземельні землі та азот утворюють тугоплавкі сполуки, які є в основному видаляється у вигляді шлаку в процесі плавки, щоб досягти мети очищення рідини алюмінію.
Практика довела, що рідкісноземельні метали впливають на зниження вмісту водню, кисню та сірки в алюмінії та алюмінієвих сплавах. Додавання 0,1% ~ 0,3% RE в алюмінієву рідину корисно для кращого видалення шкідливих домішок, очищення домішок або зміни їх морфології, щоб подрібнити та рівномірно розподілити зерна; Крім того, RE та шкідливі домішки з низькою температурою плавлення утворюють бінарні сполуки, такі як RES, REA та REPb, які характеризуються високою температурою плавлення, низькою густиною та стабільними хімічними властивостями, і можуть бути сплавлені з утворенням шлаку та видалені, таким чином очищаючи алюмінієву рідину; залишкові дрібні частинки стають гетерогенними ядрами алюмінію для очищення зерна.
Рис. 1 Морфологія SEM сплаву 7075 без RE та w (RE)=0,3%
a. RE не додається;b. Додати w (RE)=0,3%
02Метаморфізм рідкісних земель
Модифікація рідкоземельних елементів в основному проявляється в рафінуванні зерен і дендритів, пригніченні появи грубої пластинчастої фази Т2, усуненні грубої масивної фази, розподіленої в первинному кристалі та утворенні сферичної фази, так що смуги та фрагменти сполук на межі зерен значно зменшуються. (Див. Малюнок 2). Як правило, радіус рідкоземельного атома більший, ніж у атома алюмінію, і його властивості є відносно активними. Плавлення в алюмінієвій рідині дуже легко заповнити поверхневі дефекти фази сплаву, що зменшує поверхневий натяг на межі розділу між новою та старою фазами та покращує швидкість росту кристалічного ядра; водночас він також може утворювати поверхню активна плівка між зернами та розплавленою рідиною, щоб запобігти зростанню утворених зерен і покращити структуру сплаву (див. рис. 2b).
Рис. 2 Мікроструктура сплавів з різними добавками ВЗ
a. RE дозування 0;b. додавання RE становить 0,3%; c. Додаток RE становить 0,7%
Після додавання рідкоземельних елементівα зерна фази (Al) почали ставати меншими, що зіграло роль у рафінуванні зерен α (Al), які перетворювалися на невелику троянду або стрижневу форму, коли вміст рідкоземельних елементів становить 0,3% α Розмір зерна (Al) ) фаза є найменшою та поступово збільшується з подальшим збільшенням вмісту рідкоземельних елементів. Експерименти довели, що існує певний інкубаційний період для метаморфізму рідкоземельних елементів, і лише коли він зберігається при високій температурі протягом певного періоду часу, Рідкісноземельні метали відіграватимуть найбільшу роль у метаморфізмі. Крім того, кількість кристалічних ядер сполук, утворених алюмінієм і рідкоземельними сполуками, значно збільшується, коли метал кристалізується, що також робить структуру сплаву очищеною. Дослідження показують, що рідкоземельні метали мають хороші властивості. вплив модифікації на алюмінієвий сплав.
03 Ефект мікролегування рідкоземельних елементів
Рідкоземельні землі в основному присутні в алюмінії та алюмінієвих сплавах у трьох формах: твердий розчин у матриці α(Al); сегрегація на межі розділу фаз, межі зерен і межі дендритів; твердий розчин у або у формі сполуки. Посилювальний ефект рідкоземельних елементів у алюмінієві сплави в основному включають зміцнення зернистості, зміцнення кінцевим розчином і другу фазу зміцнення рідкоземельних сполук.
Форма існування рідкоземельних елементів в алюмінії та алюмінієвих сплавах тісно пов’язана з кількістю їх додавання. Як правило, коли вміст RE менше 0,1%, роль RE полягає в основному в зміцненні дрібних зерен і кінцевому зміцненні розчину; коли вміст RE становить 0,25% ~ 0,30%, RE та Al утворюють велику кількість сферичних або коротких стрижневих інтерметалічних сполук. , які розподіляються в зерні або межі зерен, і з’являється велика кількість дислокацій, дрібнозернистих сфероїдних структур і диспергованих рідкоземельних сполук, які спричинятимуть ефекти мікролегування, такі як зміцнення другої фази.
◆ ◆ Вплив рідкоземельних елементів на властивості алюмінію та алюмінієвих сплавів ◆◆
01 Вплив рідкоземельних елементів на комплексні механічні властивості сплаву
Міцність, твердість, подовження, в’язкість до руйнування, зносостійкість та інші комплексні механічні властивості сплаву можна покращити шляхом додавання відповідної кількості рідкоземельних елементів. 0,3% RE додається до литого алюмінієвого сплаву серії ZL10σbвід 205,9 МПа до 274 МПа та HB від 80 до 108; додавання 0,42% Sc до сплаву 7005σbзбільшився з 314МПа до 414МПа,σ0,2збільшився з 282 МПа до 378 МПа, пластичність зросла з 6,8% до 10,1%, а високотемпературна стабільність була значно підвищена; La і Ce можуть значно покращити надпластичність сплаву. Додавання 0,14%~0,64% La до сплаву Al-6Mg-0,5Mn збільшує надпластичність з 430% до 800%~1000%; Систематичне дослідження сплаву Al Si показує, що межа текучості та межа міцності на розрив сплаву можуть бути значно покращено шляхом додавання відповідної кількості Sc.Fig. 3 показує зовнішній вигляд руйнування при розтягуванні Al-Si7-Mg за допомогою SEM0,8сплаву, що вказує на те, що це типовий крихкий руйнування відколу без RE, тоді як після додавання 0,3% RE в зламі з’являється явна структура ямок, що вказує на його хорошу в’язкість і пластичність.
Рис. 3 Морфологія руйнування при розтягуванні
a. Не приєднався до RE;b. Додайте 0,3% RE
02Вплив рідкоземельних елементів на високотемпературні властивості сплавів
Додавання певної кількостірідкоземельнів алюмінієвий сплав може ефективно підвищити стійкість алюмінієвого сплаву до високотемпературного окислення. Додавання 1% ~ 1,5% змішаних рідкоземельних елементів до литого евтектичного сплаву Al Si підвищує високотемпературну міцність на 33%, високотемпературну міцність на розрив (300 ℃, 1000 годин) на 44%, а зносостійкість і високотемпературна стабільність значно покращуються; Додавання La, Ce, Y і мішметалу до литих сплавів Al Cu може покращити високотемпературні властивості сплавів; Швидко тверднучий Al-8,4% Сплав Fe-3,4% Ce може працювати протягом тривалого часу при температурі нижче 400 ℃, що значно покращує робочу температуру алюмінієвого сплаву; Sc додається до сплаву Al Mg Si для утворення Al3Частинки Sc, які важко укрупнювати при високій температурі та з’єднуватися з матрицею, закріплюючи межі зерен, завдяки чому сплав зберігає нерекристалізовану структуру під час відпалу та значно покращує високотемпературні властивості сплаву.
03 Вплив рідкоземельних елементів на оптичні властивості сплавів
Додавання рідкоземельних елементів до алюмінієвого сплаву може змінити структуру його поверхневої оксидної плівки, роблячи поверхню більш яскравою та красивою. Коли до алюмінієвого сплаву додається 0,12% ~ 0,25% RE, відбивна здатність окисленого та кольорового профілю 6063 становить до 92%; Коли до литого алюмінієвого сплаву Al Mg додають 0,1% ~ 0,3% RE, сплав може отримати найкращу обробку поверхні та довговічність блиску.
04 Вплив рідкоземельних елементів на електричні властивості сплавів
Додавання RE до високочистого алюмінію шкідливо для провідності сплаву, але провідність можна певною мірою покращити, додавши відповідний RE до промислового чистого алюмінію та провідних сплавів Al Mg Si. Експериментальні результати показують, що провідність алюмінію можна покращити на 2% ~ 3%, додавши 0,2% RE. Додавання невеликої кількості рідкоземельних елементів, багатих на ітрій, до сплаву Al Zr може покращити провідність сплаву, що було прийнято на більшості вітчизняних дротяних фабрик; Додайте сліди рідкоземельних елементів до алюмінію високої чистоти для виготовлення фольгованого конденсатора Al RE. При використанні в виробах 25 кВ показник ємності збільшується вдвічі, ємність одиниці об'єму збільшується в 5 разів, вага зменшується на 47%, а об'єм конденсатора значно зменшується.
05Вплив рідкоземельних елементів на корозійну стійкість сплаву
У деяких робочих середовищах, особливо в присутності іонів хлориду, сплави вразливі до корозії, щілинної корозії, корозії під напругою та корозійної втоми. Щоб покращити корозійну стійкість алюмінієвих сплавів, було проведено багато досліджень. Виявлено, що додавання відповідної кількості рідкісноземельних елементів до алюмінієвих сплавів може ефективно підвищити їх стійкість до корозії. Зразки, отримані шляхом додавання різних кількостей змішаних рідкісноземельних елементів (0,1% ~ 0,5%) до алюмінію, замочували в розсолі та штучній морській воді тричі поспіль. років. Результати показують, що додавання невеликої кількості рідкісноземельних елементів до алюмінію може підвищити корозійну стійкість алюмінію, а стійкість до корозії в розсолі та штучній морській воді на 24% і 32% вища, ніж у алюмінію, відповідно; використання методу хімічних парів і додавання Рідкоземельний багатокомпонентний пенетрант (La, Ce тощо), на поверхні сплаву 2024 можна сформувати шар плівки рідкоземельних конверсій, завдяки чому потенціал поверхневого електрода алюмінієвого сплаву має тенденцію бути рівномірним і покращує стійкість до міжкристалічна корозія та корозія під напругою; Додавання La до алюмінієвого сплаву з високим вмістом магнію може значно покращити антиморську корозійну здатність сплаву; Додавання 1,5% ~ 2,5% Nd до алюмінієвих сплавів може покращити високотемпературні характеристики, повітронепроникність і стійкість до корозії сплави, які широко використовуються як аерокосмічні матеріали.
◆ ◆ Технологія отримання рідкоземельного алюмінієвого сплаву ◆ ◆
Рідкісноземельні елементи переважно додають у вигляді мікроелементів в алюмінієві та інші сплави. Рідкісноземельні метали мають високу хімічну активність, високу температуру плавлення, легко окислюються та спалюються при високих температурах. Це спричинило певні труднощі при виготовленні та застосуванні рідкоземельних алюмінієвих сплавів. У довгострокових експериментальних дослідженнях люди продовжують досліджувати методи приготування рідкоземельних алюмінієвих сплавів. В даний час основні виробничі методи приготування рідкоземельних алюмінієвих сплавів це метод змішування, метод електролізу розплавленої солі та метод алюмінотермічного відновлення.
01 Спосіб змішування
Змішаний метод плавлення полягає у додаванні рідкоземельних або змішаних рідкоземельних металів у високотемпературну алюмінієву рідину пропорційно для отримання основного сплаву або сплаву для нанесення, а потім розплавлення основного сплаву та алюмінію, що залишився, відповідно до розрахункової норми разом, повністю перемішати та очистити .
02 Електроліз
Метод електролізу розплавленої солі полягає у додаванні рідкоземельного оксиду або солі рідкоземельних елементів у промислову алюмінієву електролітичну комірку та електролізі з оксидом алюмінію для отримання рідкоземельного алюмінієвого сплаву. Метод електролізу розплавленої солі відносно швидко розвинувся в Китаї. Як правило, існує два способи, а саме метод рідкого катода та електролітичний евтектоїдний метод. В даний час розроблено, що рідкоземельні сполуки можна безпосередньо додавати до промислових алюмінієвих електролізерів, а рідкоземельні алюмінієві сплави можна виробляти електролізом хлоридних розплавів евтектоїдним методом.
03 Алюмінотермічний метод відновлення
Оскільки алюміній має сильну відновну здатність і може утворювати різноманітні інтерметалічні сполуки з рідкісноземельними елементами, алюміній можна використовувати як відновник для отримання рідкоземельних алюмінієвих сплавів. Основні хімічні реакції показані у такій формулі:
RE2O3+ 6Al→2REAl2+ Ал2O3
Серед них рідкоземельний оксид або рідкісноземельний шлак можна використовувати як рідкоземельну сировину; відновник може бути промисловим чистим алюмінієм або кремнієвим алюмінієм; температура відновлення становить 1400 ℃ ~ 1600 ℃. На ранній стадії це було проведено за умови наявності нагрівального агента та флюсу, а висока температура відновлення спричинить багато проблем; останніми роками дослідники розробили новий метод алюмінотермічного відновлення. При нижчій температурі (780 ℃) реакція алюмінотермічного відновлення завершується в системі фториду натрію та хлориду натрію, що дозволяє уникнути проблем, викликаних вихідною високою температурою.
◆ ◆ Прогрес застосування рідкоземельного алюмінієвого сплаву ◆ ◆
01 Застосування рідкоземельного алюмінієвого сплаву в енергетиці
Завдяки хорошій провідності, великій пропускній здатності по струму, високій міцності, зносостійкості, легкій обробці та тривалому терміну служби рідкоземельний алюмінієвий сплав можна використовувати для виготовлення кабелів, повітряних ліній електропередачі, дротяних сердечників, ковзних проводів і тонких проводів для спеціальні цілі. Додавання невеликої кількості RE в систему сплаву Al Si може покращити провідність, оскільки кремній в алюмінієвому сплаві є домішковим елементом із високим вмістом, який має більший вплив на електричні властивості. Додавання відповідної кількості рідкісноземельних елементів може покращити наявну морфологію та розподіл кремнію в сплаві, що може ефективно покращити електричні властивості алюмінію; додавання невеликої кількості ітрію або збагачених ітрієм змішаних рідкісноземельних елементів до дроту з жаростійкого алюмінієвого сплаву може не тільки підтримувати хороші високотемпературні характеристики, але й покращувати провідність; рідкоземельні елементи можуть покращувати міцність на розрив, термостійкість і корозійну стійкість системи алюмінієвого сплаву. Кабелі та провідники з рідкоземельного алюмінієвого сплаву можуть збільшити проліт кабельної вежі та продовжити термін служби кабелів.
02Застосування рідкоземельного алюмінієвого сплаву в будівництві
Алюмінієвий сплав 6063 найбільш широко використовується в будівельній галузі. Додавання 0,15% ~ 0,25% рідкісноземельних елементів може значно покращити структуру лиття та структуру обробки, а також може покращити продуктивність екструзії, ефект термічної обробки, механічні властивості, стійкість до корозії, ефективність обробки поверхні та колірний тон. Виявлено, що рідкісноземельні метали є в основному поширені в алюмінієвому сплаві 6063. α-Al нейтралізує межу фаз, межу зерен і міждендрити, і вони розчиняються в сполуках або існують у формі сполук для покращення структури дендритів і зерен, так що розмір нерозчиненої евтектики та розмір ямки в області ямки стають значно меншими, розподіл рівномірним, а щільність збільшується, так що різні властивості сплаву покращуються різним ступенем. Наприклад, міцність профілю збільшується більш ніж на 20%, подовження збільшується на 50%, а швидкість корозії знижується більш ніж у два рази. Товщина оксидної плівки збільшується на 5% ~ 8%, а властивість забарвлення збільшується приблизно на 3%. Тому широко використовуються будівельні профілі зі сплаву РЕ-6063.
03Застосування рідкоземельного алюмінієвого сплаву в щоденних продуктах
Додавання слідів рідкісноземельних елементів до чистого алюмінію та алюмінієвих сплавів серії Al Mg для щоденного використання алюмінієвих виробів може значно покращити механічні властивості, властивість глибокої витяжки та стійкість до корозії. Повсякденні потреби, такі як алюмінієві каструлі, алюмінієві каструлі, алюмінієві тарілки, алюмінієві коробки для обіду, алюмінієві опори для меблів, алюмінієві велосипеди та деталі побутової техніки, виготовлені зі сплаву Al Mg RE, мають більш ніж удвічі більшу стійкість до корозії, зменшення ваги на 10%~15%, збільшення продуктивності на 10%~20%, зниження витрат виробництва на 10%~15%, і краща продуктивність глибокої витяжки та глибокої обробки порівняно з виробами з алюмінієвих сплавів без рідкісноземельних елементів. В даний час щоденні потреби в рідкоземельних алюмінієвих сплавах широко використовуються, і продукти значно зросли та добре продаються на внутрішньому та зовнішньому ринках. .
04 Застосування рідкоземельного алюмінієвого сплаву в інших аспектах
Додавання кількох тисячних часток рідкоземельних елементів у найбільш широко використовуваний ливарний сплав серії Al Si може значно покращити продуктивність обробки сплаву. Продукти багатьох марок використовувалися в літаках, кораблях, автомобілях, дизельних двигунах, мотоциклах і бронетехніці (поршень, коробка передач, циліндр, контрольно-вимірювальні прилади та інші частини). Дослідження та застосування виявили, що Sc є найефективнішим елементом для оптимізувати структуру і властивості алюмінієвих сплавів. Він має сильне дисперсійне зміцнення, зміцнення зерна, зміцнення розчину та зміцнення мікросплавів на алюміній, і може покращити міцність, твердість, пластичність, ударну в’язкість, корозійну стійкість, термостійкість тощо сплавів. Сплави серії Sc Al використовуються в високотехнологічні галузі, такі як аерокосмічна галузь, кораблі, швидкісні поїзди, легкі транспортні засоби тощо. Скандиєвий алюмінієвий сплав серії C557Al Mg Zr Sc, розроблений NASA, має високу міцність і стабільність при високих і низьких температурах і застосовувався для виготовлення фюзеляжу та літаків. конструктивні частини; сплав 0146Al Cu Li Sc, розроблений Росією, був застосований для кріогенного паливного бака космічних кораблів.
З тому 33, випуску 1 книги «Рідкісноземельні землі» Ван Хуея, Ян Аня та Юнь Ці
Час публікації: 05 липня 2023 р