أُجريت أبحاثٌ مُكثّفة حول إضافة العناصر الأرضية النادرة (REEs) إلى سبائك الألومنيوم من سلاسل 7xxx و5xxx و2xxx، وقد أظهرت نتائجَ ملحوظة. وتحديدًا، غالبًا ما تُعاني سبائك الألومنيوم من سلسلة 7xxx، التي تحتوي على عناصر سبائكية متعددة، من انقسامٍ شديد أثناء الصهر والصب، مما يُؤدي إلى تكوّن كمياتٍ كبيرة من الأطوار الأيوتكتيكية. هذا يُقلّل من المتانة ومقاومة التآكل، ويُؤثر سلبًا على الأداء العام للسبيكة. يُمكن أن يُحسّن دمج العناصر الأرضية النادرة في سبائك الألومنيوم عالية السبائك من حبيبات الألومنيوم، ويُقلّل من انقسامها، ويُنقّي المصفوفة، مما يُحسّن البنية الدقيقة والخصائص العامة.
في الآونة الأخيرة، حظي نوع من مُكرِّرات الحبوب فائقة اللدونة باهتمام كبير. تستغل هذه المُكرِّرات عناصر أرضية نادرة مثل La وCe لتعزيز إضعاف حدود الحبوب والحبيبات الفرعية. لا يقتصر هذا على تنقية الحبوب فحسب، بل يُعزز أيضًا توزيعًا متجانسًا للرواسب، ويُثبِّط إعادة التبلور، ويُحسِّن بشكل كبير من ليونة السبائك، مما يُؤدي في النهاية إلى زيادة الإنتاجية في عمليات البثق.
في سبائك الألومنيوم من سلسلة 7xxx، تتم إضافة العناصر الأرضية النادرة عمومًا بثلاث طرق:
1.العناصر الأرضية النادرة وحدها؛
2. مزيج من الزركونيوم والعناصر الأرضية النادرة؛
3. مزيج من الزركونيوم والكروم والعناصر الأرضية النادرة.
يتم التحكم عادة في إجمالي محتوى العناصر الأرضية النادرة في حدود 0.1-0.5% من الوزن.
آليات العناصر الأرضية النادرة
تساهم العناصر الأرضية النادرة مثل La وCe وSc وEr وGd وY في سبائك الألومنيوم من خلال آليات متعددة:
تنقية الحبوب: تشكل العناصر الأرضية النادرة رواسب موزعة بشكل متساوٍ تعمل كمواقع تكوين نووي غير متجانسة، وتحويل الهياكل الشجرية إلى حبيبات دقيقة متساوية المحاور، مما يحسن القوة والليونة.
قمع الفصل: أثناء عملية الذوبان والتصلب، تعمل العناصر الأرضية النادرة على تعزيز توزيع العناصر بشكل أكثر انتظامًا، وتقليل التكوين الأيوتكتيكي، وزيادة كثافة المصفوفة.
تنقية المصفوفة: يمكن أن يتفاعل Y و La و Ce مع الشوائب الموجودة في المصهور (O و H و N و S) لتكوين مركبات مستقرة، مما يؤدي إلى خفض محتوى الغاز والشوائب، مما يعزز جودة السبائك.
تعديل سلوك إعادة التبلور: يمكن لبعض العناصر الأرضية النادرة تثبيت حدود الحبيبات والحبيبات الفرعية، مما يمنع حركة الخلع وهجرة حدود الحبيبات. هذا يؤخر إعادة التبلور ويحافظ على هياكل الحبيبات الفرعية الدقيقة أثناء المعالجة الحرارية، مما يُحسّن كلاً من المتانة ومقاومة التآكل.
العناصر الأرضية النادرة الرئيسية وتأثيراتها
سكانديوم (Sc)
يتمتع الفلورسنت بأصغر نصف قطر ذري بين العناصر الأرضية النادرة، وهو أيضًا معدن انتقالي. له فعالية عالية في تحسين خصائص سبائك الألومنيوم المشوهة.
في سبائك الألومنيوم، يترسب Sc على شكل Al₃Sc متماسك، مما يزيد من درجة حرارة إعادة التبلور ويمنع خشونة الحبوب.
عند دمجه مع الزركونيوم، تتشكل جسيمات Al₃(Sc,Zr) مستقرة في درجات الحرارة العالية، مما يعزز حبيبات دقيقة متساوية المحاور ويمنع حركة الخلع وهجرة حدود الحبيبات. هذا يُحسّن القوة ومقاومة التعب والأداء ضد التآكل والإجهاد.
قد يؤدي الإفراط في Sc إلى تكوين جزيئات Al₃(Sc,Zr) خشنة، مما يقلل من قدرة إعادة التبلور والقوة واللدونة.
الإربيوم (Er)
يتصرف Er بشكل مشابه لـ Sc ولكنه أكثر فعالية من حيث التكلفة.
في سبائك السلسلة 7xxx، تعمل إضافات Er المناسبة على تنقية الحبوب، ومنع حركة الخلع وهجرة حدود الحبوب، وقمع إعادة التبلور، وتعزيز القوة.
عند إضافته مع الزركونيوم، تتشكل جزيئات Al₃(Er,Zr)، وهي أكثر استقرارًا حراريًا من Al₃Er بمفردها، مما يوفر قمعًا أفضل لإعادة التبلور.
قد يؤدي الإفراط في استخدام Er إلى إنتاج أطوار Al₈Cu₄Er، مما يقلل من القوة والليونة.
الغادولينيوم (Gd)
تعمل الإضافات المعتدلة من الجادولينيوم على تنقية الحبوب وزيادة القوة والمرونة وتعزيز ذوبان الزنك والمغنيسيوم والنحاس في المصفوفة.
يُثبّت طور Al₃(Gd,Zr) الناتج الخلع وحدود الحبيبات الفرعية، مما يُثبّط إعادة التبلور. كما يتكوّن غشاء نشط على أسطح الحبيبات، مما يُعيق نموها.
يمكن أن يؤدي الإفراط في استخدام الجادولينيوم إلى خشونة الحبوب وتدهور الخصائص الميكانيكية.
اللانثانوم (La)، والسيريوم (Ce)، والإتريوم (Y)
يقوم La بتكرير الحبوب، ويقلل من محتوى الأكسجين، ويشكل طبقة نشطة على سطح الحبوب لمنع النمو.
يعمل La و Ce على تعزيز ترسب منطقة GP وطور η′، مما يحسن قوة المصفوفة ومقاومة التآكل.
يقوم Y بتنقية المصفوفة، ويعيق إذابة عناصر السبائك الرئيسية في المحلول الصلب، ويعزز التبلور، ويقلل من الاختلافات المحتملة بين حدود الحبوب والداخل، مما يعزز مقاومة التآكل.
قد يؤدي وجود كميات زائدة من La أو Ce أو Y إلى تكوين مركبات متكتلة خشنة، مما يقلل من اللدونة والقوة.
خصائص العناصر الأرضية النادرة الرئيسية وخصائصها في الألومنيوم
وقت النشر: ٢١ أغسطس ٢٠٢٥
