Применениередкоземельныйлитье алюминиевых сплавов осуществлялось ранее за рубежом.Хотя Китай начал исследования и применение этого аспекта только в 1960-х годах, он быстро развивался.Была проделана большая работа от исследования механизмов до практического применения, и были достигнуты некоторые достижения. С добавлением редкоземельных элементов механические свойства, литейные свойства и электрические свойства алюминиевых сплавов были значительно улучшены. новые материалы, богатые оптические, электрические и магнитные свойства редкоземельных элементов также играют важную роль в создании редкоземельных постоянных магнитных материалов, редкоземельных светоизлучающих материалов, редкоземельных материалов для хранения водорода и т. д.
◆ ◆ Механизм действия редкоземельных металлов в алюминии и алюминиевых сплавах ◆ ◆
Редкоземельные элементы обладают высокой химической активностью, низким потенциалом и особым расположением электронных слоев и могут взаимодействовать практически со всеми элементами. Редкоземельные элементы, обычно используемые в алюминии и алюминиевых сплавах, включают La (лантан), Се (церий), Й (иттрий) и Sc (скандий).Их часто добавляют в алюминиевую жидкость вместе с модификаторами, зародышеобразователями и дегазаторами, позволяющими очистить расплав, улучшить структуру, измельчить зерно и т. д.
01Очистка редкоземельных металлов
Поскольку в процессе плавки и литья алюминиевого сплава вносится большое количество газовых и оксидных включений (в основном водорода, кислорода и азота), в отливке возникают микроотверстия, трещины, включения и другие дефекты (см. рисунок 1а), что снижает прочность алюминиевого сплава. Эффект очистки редкоземельных элементов в основном проявляется в очевидном снижении содержания водорода в расплавленном алюминии, уменьшении количества пор и пористости (см. рисунок 1б), а также уменьшении включений и вредных элементов. Причина в том, что редкоземельные элементы имеют большое сродство с водородом, который может поглощать и растворять водород в больших количествах и образовывать стабильные соединения без образования пузырьков, тем самым значительно снижая содержание водорода и пористость алюминия; Редкоземельные элементы и азот образуют тугоплавкие соединения, которые в основном удаляется в виде шлака в процессе плавки, чтобы достичь цели очистки алюминиевой жидкости.
Практика доказала, что редкоземельные элементы обладают эффектом снижения содержания водорода, кислорода и серы в алюминии и алюминиевых сплавах.Добавление 0,1–0,3% РЗ в алюминиевую жидкость помогает лучше удалять вредные примеси, очищать примеси или изменять их морфологию, чтобы измельчать и равномерно распределять зерна; кроме того, РЗ и вредные примеси с низкой температурой плавления образуют бинарные соединения, такие как RES, REA и REPb, которые характеризуются высокой температурой плавления, низкой плотностью и стабильными химическими свойствами, могут всплывать с образованием шлака и удаляться, очищая таким образом алюминиевую жидкость; оставшиеся мелкие частицы становятся гетерогенными ядрами алюминия для очистки. зерна.
Рис. 1. Морфология сплава 7075 без РЭ и w (РЭ) = 0,3% на СЭМ.
а.RE не добавляется;b.Добавьте w(RE)=0,3%
02Метаморфизм редкоземельных металлов
Редкоземельная модификация в основном проявляется в измельчении зерен и дендритов, ингибировании появления крупнопластинчатой фазы Т2, устранении крупной массивной фазы, распределенной в первичном кристалле и формировании сферической фазы, благодаря чему полосовые и фрагментарные соединения на границе зерен значительно уменьшаются. (см. рисунок 2). Как правило, радиус редкоземельного атома больше, чем у атома алюминия, и его свойства относительно активны.Плавление в алюминиевой жидкости очень легко заполняет поверхностные дефекты фазы сплава, что снижает поверхностное натяжение на границе раздела между новой и старой фазами и улучшает скорость роста кристаллического зародыша; в то же время он также может образовывать поверхность активная пленка между зернами и расплавленной жидкостью для предотвращения роста образовавшихся зерен и улучшения структуры сплава (см. рисунок 2б).
Рис. 2. Микроструктура сплавов с различной добавкой РЗЭ.
а.Дозировка РЭ – 0;б.Добавление RE составляет 0,3%;c.Добавление RE составляет 0,7%
После добавления редкоземельных элементовα зерна фазы (Al) стали мельчать, что сыграло роль в измельчении зерен α(Al) трансформирующихся в небольшую розу или палочку, при содержании редкоземельных элементов 0,3%αРазмер зерен (Al ) фаза наименьшая, и постепенно увеличивается при дальнейшем увеличении содержания редкоземельных элементов. Экспериментами доказано, что существует определенный инкубационный период редкоземельного метаморфизма, и только при выдерживании его при высокой температуре в течение определенного периода времени, Редкоземельные элементы будут играть наибольшую роль в метаморфизме. Кроме того, количество кристаллических ядер соединений, образованных алюминием и редкоземельными элементами, значительно увеличивается при кристаллизации металла, что также делает структуру сплава уточненной. Исследования показывают, что редкоземельные элементы имеют хорошие Модификационное воздействие на алюминиевый сплав.
03 Микролегирующий эффект редкоземельных металлов
Редкоземельные элементы в основном существуют в алюминии и алюминиевых сплавах в трех формах: твердый раствор в матрице α(Al); сегрегация на границе фаз, границах зерен и границах дендритов; твердый раствор в соединении или в форме. Укрепляющее действие редкоземельных элементов в Алюминиевые сплавы в основном включают упрочнение измельчения зерна, упрочнение конечного раствора и упрочнение второй фазы редкоземельных соединений.
Форма существования редкоземельных элементов в алюминии и алюминиевых сплавах тесно связана с количеством их добавок.Обычно, когда содержание РЗЭ составляет менее 0,1%, роль РЗЭ заключается в основном в упрочнении мелкозернистого материала и ограниченном упрочнении раствора; когда содержание РЗЭ составляет 0,25%~0,30%, РЗЭ и Al образуют большое количество сферических или коротких стержней, подобных интерметаллическим соединениям. , которые распределяются в зерне или границах зерен, и появляется большое количество дислокаций, мелкозернистых сфероидизированных структур и дисперсных редкоземельных соединений, которые будут вызывать эффекты микролегирования, такие как упрочнение второй фазы.
◆ ◆ Влияние редкоземельных элементов на свойства алюминия и алюминиевых сплавов ◆◆
01 Влияние редкоземельных элементов на комплексные механические свойства сплава
Прочность, твердость, удлинение, вязкость разрушения, износостойкость и другие комплексные механические свойства сплава можно улучшить путем добавления соответствующего количества редкоземельных элементов. В литой алюминиевый сплав серии ZL10 добавляется 0,3% РЗЭ.bс 205,9 МПа до 274 МПа, а HB с 80 до 108; Добавление 0,42% Sc в сплав 7005σbувеличилось с 314МПа до 414МПа,σ0,2увеличилось с 282 МПа до 378 МПа, пластичность увеличилась с 6,8% до 10,1%, значительно повысилась высокотемпературная стабильность; La и Ce позволяют значительно улучшить сверхпластичность сплава.Добавление 0,14% ~ 0,64% La к сплаву Al-6Mg-0,5Mn увеличивает сверхпластичность с 430% до 800% ~ 1000%; Систематическое исследование сплава Al-Si показывает, что предел текучести и предел прочности при растяжении сплава могут быть значительно увеличены. улучшается путем добавления соответствующего количества Sc.Рис.3 показан вид разрушения Al-Si7-Mg при растяжении, полученный на СЭМ.0,8сплава, что указывает на то, что это типичный хрупкий спайный излом без РЭ, тогда как после добавления 0,3% РЭ в изломе появляется очевидная ямочная структура, что указывает на его хорошую вязкость и пластичность.
Рис. 3. Морфология разрушения при растяжении.
а.Не присоединился к RE;b.Добавить 0,3% возобновляемой энергии
02Влияние редкоземельных элементов на высокотемпературные свойства сплавов
Добавление определенного количестваредкоземельныйв алюминиевый сплав может эффективно улучшить стойкость алюминиевого сплава к высокотемпературному окислению. Добавление 1% ~ 1,5% смешанных редкоземельных элементов в литой эвтектический сплав Al Si увеличивает прочность при высоких температурах на 33%, прочность на разрыв при высоких температурах (300 ℃, 1000 часов) на 44%, а износостойкость и высокотемпературная стабильность значительно улучшаются; Добавление La, Ce, Y и мишметалла в литые сплавы Al Cu может улучшить высокотемпературные свойства сплавов; Быстро затвердевший Al-8,4% Сплав Fe-3,4% Ce может работать в течение длительного времени при температуре ниже 400 ℃, что значительно улучшает рабочую температуру алюминиевого сплава; Sc добавляется в сплав Al Mg Si для образования Al.3Частицы Sc, которые нелегко укрупнять при высокой температуре, сцепляются с матрицей, закрепляя границы зерен, благодаря чему сплав сохраняет нерекристаллизованную структуру во время отжига и значительно улучшает высокотемпературные свойства сплава.
03 Влияние редкоземельных элементов на оптические свойства сплавов
Добавление редкоземельных элементов в алюминиевый сплав может изменить структуру его поверхностной оксидной пленки, делая поверхность более яркой и красивой. Когда в алюминиевый сплав добавляется 0,12% ~ 0,25% RE, отражательная способность окисленного и окрашенного профиля 6063 достигает 92%; Когда 0,1% ~ 0,3% RE добавляется к литому алюминиевому сплаву Al Mg, сплав может получить наилучшее качество поверхности и долговечность блеска.
04 Влияние редкоземельных элементов на электрические свойства сплавов
Добавление РЭ к алюминию высокой чистоты вредно для проводимости сплава, но проводимость можно в определенной степени улучшить, добавив соответствующий РЭ в проводящие сплавы промышленного чистого алюминия и Al Mg Si. Результаты экспериментов показывают, что проводимость алюминия может быть улучшено на 2% ~ 3% путем добавления 0,2% RE. Добавление небольшого количества редкоземельных элементов с высоким содержанием иттрия в сплав Al Zr может улучшить проводимость сплава, который используется большинством отечественных проволочных заводов; Добавление следов редкоземельных элементов к алюминию высокой чистоты для изготовления фольгового конденсатора Al RE.При использовании в изделиях 25кВ показатель емкости увеличивается в два раза, емкость единицы объема увеличивается в 5 раз, вес снижается на 47%, а объем конденсатора существенно уменьшается.
05Влияние редкоземельных элементов на коррозионную стойкость сплава
В некоторых эксплуатационных средах, особенно в присутствии хлорид-ионов, сплавы уязвимы к коррозии, щелевой коррозии, коррозии под напряжением и коррозионной усталости. Для улучшения коррозионной стойкости алюминиевых сплавов было проведено множество исследований.Установлено, что добавление соответствующего количества редкоземельных элементов к алюминиевым сплавам может эффективно улучшить их коррозионную стойкость. Образцы, изготовленные путем добавления к алюминию различных количеств смешанных редкоземельных элементов (0,1–0,5%), вымачивали в рассоле и искусственной морской воде в течение трех последовательных годы.Результаты показывают, что добавление небольшого количества редкоземельных элементов к алюминию может улучшить коррозионную стойкость алюминия, а коррозионная стойкость в рассоле и искусственной морской воде на 24% и 32% выше, чем у алюминия соответственно; использование метода химического пара и добавление Многокомпонентный пенетрант из редкоземельных элементов (La, Ce и т. д.), на поверхности сплава 2024 может быть сформирован слой конверсионной пленки из редкоземельных элементов, что делает потенциал поверхностного электрода алюминиевого сплава более однородным и повышает устойчивость к Межкристаллитная коррозия и коррозия под напряжением. Добавление La к алюминиевому сплаву с высоким содержанием магния может значительно улучшить антикоррозионную способность сплава. Добавление 1,5–2,5% Nd к алюминиевым сплавам может улучшить высокотемпературные характеристики, воздухонепроницаемость и коррозионную стойкость сплава. сплавы, которые широко используются в качестве материалов для аэрокосмической промышленности.
◆ ◆ Технология получения редкоземельного алюминиевого сплава ◆ ◆
Редкоземельные элементы в основном добавляются в виде микроэлементов в алюминиевые и другие сплавы.Редкоземельные элементы обладают высокой химической активностью, высокой температурой плавления, легко окисляются и сгорают при высоких температурах.Это вызвало определенные трудности при приготовлении и применении редкоземельных алюминиевых сплавов. В ходе длительных экспериментальных исследований продолжают изучать методы получения редкоземельных алюминиевых сплавов. В настоящее время основные производственные методы получения редкоземельных алюминиевых сплавов К ним относятся метод смешивания, метод электролиза расплавленной соли и метод алюминотермического восстановления.
01 Метод смешивания
Метод смешанной плавки заключается в добавлении редкоземельного металла или смеси редкоземельных металлов в высокотемпературную алюминиевую жидкость пропорционально получению лигатуры или прикладного сплава, а затем плавление лигатуры и оставшегося алюминия вместе в соответствии с расчетным припуском, полное перемешивание и рафинирование. .
02 Электролиз
Метод электролиза расплавленной соли заключается в добавлении оксида редкоземельного элемента или соли редкоземельного элемента в промышленный алюминиевый электролизер и проведении электролиза с оксидом алюминия для получения редкоземельного алюминиевого сплава. Метод электролиза расплавленной соли развивался относительно быстро в Китае.Обычно существует два способа: метод жидкого катода и метод электролитического эвтектоида.В настоящее время разработана возможность прямого добавления редкоземельных соединений в промышленные алюминиевые электролизеры, а также получение редкоземельных алюминиевых сплавов электролизом хлоридных расплавов эвтектоидным методом.
03 Алюминотермический метод восстановления
Поскольку алюминий обладает сильной восстановительной способностью и может образовывать различные интерметаллические соединения с редкоземельными элементами, алюминий можно использовать в качестве восстановителя для приготовления редкоземельных алюминиевых сплавов. Основные химические реакции показаны в следующей формуле:
RE2O3+ 6Ал→2РЕАл2+ Ал2O3
Среди них в качестве редкоземельного сырья можно использовать оксид редкоземельных элементов или шлак, богатый редкоземельными элементами; Восстановителем может быть промышленный чистый алюминий или кремниевый алюминий; Температура восстановления составляет 1400 ℃ ~ 1600 ℃. На ранней стадии это проводилось выход при условии существования нагревательного агента и флюса, а также высокой температуры восстановления может вызвать множество проблем; в последние годы исследователи разработали новый метод алюминотермического восстановления.При более низкой температуре (780 ℃) реакция алюминотермического восстановления завершается в системе фторида натрия и хлорида натрия, что позволяет избежать проблем, вызванных исходной высокой температурой.
◆ ◆ Прогресс в применении редкоземельного алюминиевого сплава ◆ ◆
01 Применение редкоземельного алюминиевого сплава в энергетике
Благодаря преимуществам хорошей проводимости, большой токовой нагрузки, высокой прочности, износостойкости, простоты обработки и длительного срока службы редкоземельный алюминиевый сплав может использоваться для изготовления кабелей, воздушных линий электропередачи, сердечников проводов, скользящих проволок и тонких проводов для специальные цели. Добавление небольшого количества РЗЭ в систему сплавов Al-Si может улучшить проводимость, поскольку кремний в алюминиевом сплаве является примесным элементом с высоким содержанием, который оказывает большее влияние на электрические свойства.Добавление соответствующего количества редкоземельных элементов может улучшить существующую морфологию и распределение кремния в сплаве, что может эффективно улучшить электрические свойства алюминия; Добавление небольшого количества иттрия или смешанного редкоземельного элемента с высоким содержанием иттрия в термостойкую проволоку из алюминиевого сплава. может не только поддерживать хорошие высокотемпературные характеристики, но и улучшать проводимость; Редкоземельные элементы могут улучшить прочность на разрыв, термостойкость и коррозионную стойкость системы из алюминиевого сплава.Кабели и проводники из редкоземельного алюминиевого сплава позволяют увеличить пролет кабельной опоры и продлить срок службы кабелей.
02Применение редкоземельного алюминиевого сплава в строительной отрасли
Алюминиевый сплав 6063 наиболее широко используется в строительной отрасли.Добавление 0,15% ~ 0,25% редкоземельных элементов может значительно улучшить литейную структуру и структуру обработки, а также улучшить характеристики экструзии, эффект термообработки, механические свойства, коррозионную стойкость, характеристики обработки поверхности и цветовой тон. Обнаружено, что редкоземельные элементы в основном распространен в алюминиевом сплаве 6063α-Al, нейтрализует фазовую границу, границу зерен и междендритную структуру, и они растворяются в соединениях или существуют в виде соединений для уточнения дендритной структуры и зерен, так что размер нерастворенной эвтектики и размер Ямочка в области лунки становится значительно меньше, распределение становится равномерным, а плотность увеличивается, так что различные свойства сплава улучшаются в разной степени.Например, прочность профиля увеличивается более чем на 20%, удлинение увеличивается на 50%, а скорость коррозии снижается более чем в два раза. Толщина оксидной пленки увеличивается на 5–8%, и цветостойкость увеличивается примерно на 3%. Поэтому широко используются строительные профили из сплава РЭ-6063.
03Применение редкоземельного алюминиевого сплава в повседневных продуктах
Добавление следов редкоземельных элементов в чистый алюминий и алюминиевые сплавы серии Al Mg для ежедневного использования алюминиевых изделий может значительно улучшить механические свойства, свойства глубокой вытяжки и коррозионную стойкость. Предметы повседневного спроса, такие как алюминиевые кастрюли, алюминиевые кастрюли, алюминиевые тарелки, алюминиевые коробки для завтрака, алюминиевые опоры для мебели, алюминиевые велосипеды и детали бытовой техники, изготовленные из сплава Al Mg RE, имеют более чем в два раза большую коррозионную стойкость, снижение веса на 10–15%, увеличение выхода продукции на 10–20%, снижение производственных затрат на 10–15%, и лучшие характеристики глубокой вытяжки и глубокой обработки по сравнению с изделиями из алюминиевых сплавов без редкоземельных элементов. В настоящее время широко используются предметы первой необходимости из редкоземельных алюминиевых сплавов, продукция значительно увеличилась и хорошо продается на внутреннем и внешнем рынках. .
04 Применение редкоземельного алюминиевого сплава в других аспектах
Добавление нескольких тысячных редкоземельных элементов в наиболее широко используемый литейный сплав серии Al-Si может значительно улучшить характеристики обработки сплава.Продукты многих марок использовались в самолетах, кораблях, автомобилях, дизельных двигателях, мотоциклах и бронетехнике (поршень, коробка передач, цилиндр, приборы и другие детали). Исследования и применения показали, что Sc является наиболее эффективным элементом для оптимизировать структуру и свойства алюминиевых сплавов.Он оказывает сильное дисперсионное упрочнение, усиление измельчения зерна, упрочнение раствора и упрочнение микросплавов на алюминии и может улучшить прочность, твердость, пластичность, ударную вязкость, коррозионную стойкость, термостойкость и т. д. сплавов. Сплавы серии Sc Al используются в высокотехнологичные отрасли, такие как аэрокосмическая промышленность, корабли, высокоскоростные поезда, легкие автомобили и т. д. Скандиевый алюминиевый сплав серии C557Al Mg Zr Sc, разработанный НАСА, обладает высокой прочностью, стабильностью при высоких и низких температурах и применяется для фюзеляжа самолетов и самолетов. Детали конструкции; Разработанный в России сплав 0146Al Cu Li Sc применен в криогенном топливном баке космических аппаратов.
Из тома 33, выпуска 1 журнала Rare Earth авторов Ван Хуэй, Ян Ань и Юнь Ци.
Время публикации: 05 июля 2023 г.