Sono state condotte ampie ricerche sull'aggiunta di terre rare (REE) alle leghe di alluminio delle serie 7xxx, 5xxx e 2xxx, evidenziando effetti notevoli. In particolare, le leghe di alluminio della serie 7xxx, che contengono molteplici elementi di lega, spesso subiscono una forte segregazione durante la fusione e la colata, con conseguente formazione di quantità significative di fasi eutettiche. Ciò riduce la tenacità e la resistenza alla corrosione, compromettendo le prestazioni complessive della lega. L'incorporazione di terre rare in leghe di alluminio altamente legate può raffinare i grani, sopprimere la segregazione e purificare la matrice, migliorando così la microstruttura e le proprietà generali.
Di recente, un tipo di raffinatore di grano superplastico ha attirato l'attenzione. Questi raffinatori sfruttano elementi delle terre rare come La e Ce per migliorare l'indebolimento dei bordi di grano e sottograno. Ciò non solo raffina i grani, ma promuove anche una dispersione uniforme dei precipitati, sopprime la ricristallizzazione e migliora significativamente la duttilità della lega, aumentando in definitiva la produttività nei processi di estrusione.
Nelle leghe di alluminio della serie 7xxx, gli elementi delle terre rare vengono generalmente aggiunti in tre modi:
1. Solo elementi delle terre rare;
2.Combinazione di elementi Zr e terre rare;
3.Combinazione di elementi Zr, Cr e terre rare.
Il contenuto totale di elementi delle terre rare è solitamente controllato entro lo 0,1-0,5% in peso.
Meccanismi degli elementi delle terre rare
Gli elementi delle terre rare come La, Ce, Sc, Er, Gd e Y contribuiscono alla formazione delle leghe di alluminio attraverso molteplici meccanismi:
Raffinamento dei grani: gli elementi delle terre rare formano precipitati distribuiti uniformemente che agiscono come siti di nucleazione eterogenei, convertendo le strutture dendritiche in grani fini equiassici, migliorando così la resistenza e la duttilità.
Soppressione della segregazione: durante la fusione e la solidificazione, gli elementi delle terre rare favoriscono una distribuzione più uniforme degli elementi, riducono la formazione di eutettici e aumentano la densità della matrice.
Purificazione della matrice: Y, La e Ce possono reagire con le impurità presenti nella massa fusa (O, H, N, S) per formare composti stabili, riducendo il contenuto di gas e le inclusioni, migliorando così la qualità della lega.
Modifica del comportamento di ricristallizzazione: alcuni elementi delle terre rare possono bloccare i bordi dei grani e dei sottograni, inibendo il movimento delle dislocazioni e la migrazione dei bordi dei grani. Ciò ritarda la ricristallizzazione e preserva le strutture dei sottograni fini durante il trattamento termico, migliorando sia la resistenza meccanica che la resistenza alla corrosione.
Elementi chiave delle terre rare e i loro effetti
Scandio (Sc)
Lo Sc ha il raggio atomico più piccolo tra gli elementi delle terre rare ed è anche un metallo di transizione. È molto efficace nel migliorare le proprietà delle leghe di alluminio deformabili.
Nelle leghe di alluminio, lo Sc precipita come Al₃Sc coerente, aumentando la temperatura di ricristallizzazione e sopprimendo l'ingrossamento dei grani.
Combinate con Zr, si formano particelle di Al₃(Sc,Zr) stabili alle alte temperature, che favoriscono la formazione di grani fini equiassici e ostacolano il movimento delle dislocazioni e la migrazione dei bordi dei grani. Ciò migliora la resistenza meccanica, la resistenza alla fatica e le prestazioni di corrosione sotto sforzo.
Un eccesso di Sc può portare alla formazione di particelle grossolane di Al₃(Sc,Zr), riducendo la capacità di ricristallizzazione, la resistenza e la duttilità.
Erbio (Er)
Er agisce in modo simile a Sc ma è più conveniente.
Nelle leghe della serie 7xxx, le opportune aggiunte di Er raffinano i grani, inibiscono il movimento delle dislocazioni e la migrazione dei bordi dei grani, sopprimono la ricristallizzazione e aumentano la resistenza.
Se aggiunto insieme a Zr, si formano particelle di Al₃(Er,Zr), che sono più stabili termicamente rispetto al solo Al₃Er, garantendo una migliore soppressione della ricristallizzazione.
Un eccesso di Er può produrre fasi Al₈Cu₄Er, riducendo sia la resistenza che la duttilità.
Gadolinio (Gd)
Aggiunte moderate di Gd raffinano i grani, aumentano la resistenza e la duttilità e migliorano la solubilità di Zn, Mg e Cu nella matrice.
La fase Al₃(Gd,Zr) risultante blocca le dislocazioni e i bordi dei sottograni, inibendo la ricristallizzazione. Si forma inoltre un film attivo sulle superfici dei grani, limitandone ulteriormente la crescita.
Un eccesso di Gd può causare l'ingrossamento dei grani e il deterioramento delle proprietà meccaniche.
Lantanio (La), cerio (Ce) e ittrio (Y)
La raffina i cereali, riduce il contenuto di ossigeno e forma una pellicola attiva sulla superficie dei cereali per inibirne la crescita.
La e Ce favoriscono la precipitazione della zona GP e della fase η′, migliorando la resistenza della matrice e la resistenza alla corrosione.
Y purifica la matrice, ostacola la dissoluzione dei principali elementi di lega nella soluzione solida, favorisce la nucleazione e riduce le differenze di potenziale tra i bordi dei grani e gli interni, migliorando la resistenza alla corrosione.
Un eccesso di La, Ce o Y può dare origine a composti grossolani e squadrati, che riducono la duttilità e la resistenza.
Proprietà dei principali elementi delle terre rare e loro caratteristiche nell'alluminio
Data di pubblicazione: 21-08-2025
