บทบาทของธาตุหายากในโลหะผสมอะลูมิเนียมขึ้นรูปซีรีส์ 7xxx ระดับไฮเอนด์

มีการวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับการเติมธาตุหายาก (REEs) ลงในโลหะผสมอะลูมิเนียมซีรีส์ 7xxx, 5xxx และ 2xxx ซึ่งแสดงให้เห็นถึงผลกระทบที่เห็นได้ชัด โดยเฉพาะอย่างยิ่งโลหะผสมอะลูมิเนียมซีรีส์ 7xxx ซึ่งมีองค์ประกอบผสมหลายชนิด มักเกิดการแยกตัวอย่างรุนแรงระหว่างการหลอมและการหล่อ นำไปสู่การก่อตัวของเฟสยูเทคติกจำนวนมาก ซึ่งทำให้ความเหนียวและความต้านทานการกัดกร่อนลดลง ส่งผลให้ประสิทธิภาพโดยรวมของโลหะผสมลดลง การผสมธาตุหายากลงในโลหะผสมอะลูมิเนียมที่มีโลหะผสมสูงสามารถขัดเกลาเกรน ลดการแยกตัว และทำให้เมทริกซ์บริสุทธิ์ขึ้น ซึ่งจะช่วยปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติโดยรวม

เมื่อไม่นานมานี้ โรงกลั่นเกรนแบบซูเปอร์พลาสติกประเภทหนึ่งได้รับความสนใจเป็นอย่างมาก โรงกลั่นเหล่านี้ใช้ประโยชน์จากธาตุหายาก เช่น La และ Ce เพื่อปรับปรุงการอ่อนตัวของเกรนและขอบเกรนย่อย วิธีนี้ไม่เพียงแต่ทำให้เกรนละเอียดขึ้นเท่านั้น แต่ยังส่งเสริมการกระจายตัวของตะกอนอย่างสม่ำเสมอ ยับยั้งการตกผลึกซ้ำ และปรับปรุงความเหนียวของโลหะผสมอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งท้ายที่สุดแล้วจะเพิ่มผลผลิตในกระบวนการอัดรีด

ในโลหะผสมอลูมิเนียมซีรีส์ 7xxx โดยทั่วไปจะมีการเติมธาตุหายากลงไป 3 วิธี ดังนี้

1.ธาตุหายากเพียงอย่างเดียว

2.การรวมกันของ Zr และธาตุหายาก

3.การรวมกันของ Zr, Cr และธาตุหายาก

โดยทั่วไปปริมาณรวมของธาตุหายากจะถูกควบคุมให้อยู่ในช่วง 0.1–0.5% ตามน้ำหนัก

กลไกของธาตุหายาก

ธาตุหายาก เช่น La, Ce, Sc, Er, Gd และ Y มีส่วนช่วยในการผลิตโลหะผสมอะลูมิเนียมผ่านกลไกต่างๆ มากมาย:

การปรับปรุงเมล็ดพืช: ธาตุหายากก่อตัวเป็นตะกอนที่กระจายสม่ำเสมอซึ่งทำหน้าที่เป็นไซต์นิวเคลียสที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน โดยเปลี่ยนโครงสร้างแบบเดนไดรต์ให้เป็นเมล็ดพืชละเอียดที่มีแกนเท่ากัน ซึ่งจะช่วยเพิ่มความแข็งแรงและความเหนียว

การระงับการแยกส่วน: ในระหว่างการหลอมละลายและการแข็งตัว ธาตุหายากจะส่งเสริมการกระจายธาตุที่สม่ำเสมอมากขึ้น ลดการก่อตัวของยูเทกติก และเพิ่มความหนาแน่นของเมทริกซ์

การทำให้บริสุทธิ์ของเมทริกซ์: Y, La และ Ce สามารถทำปฏิกิริยากับสิ่งเจือปนในโลหะหลอม (O, H, N, S) เพื่อสร้างสารประกอบที่เสถียร ลดปริมาณก๊าซและสิ่งเจือปน ซึ่งช่วยเพิ่มคุณภาพของโลหะผสม

การปรับเปลี่ยนพฤติกรรมการตกผลึกใหม่: ธาตุหายากบางชนิดสามารถตรึงขอบเกรนและขอบเกรนย่อย ยับยั้งการเคลื่อนที่แบบดิสโลเคชั่นและการเคลื่อนตัวของขอบเกรน วิธีนี้ช่วยชะลอการตกผลึกใหม่ และรักษาโครงสร้างเกรนย่อยละเอียดไว้ในระหว่างการแปรรูปด้วยความร้อน ช่วยเพิ่มทั้งความแข็งแรงและความต้านทานการกัดกร่อน

ธาตุหายากที่สำคัญและผลกระทบของมัน

สแกนเดียม (Sc)

Sc มีรัศมีอะตอมเล็กที่สุดในบรรดาธาตุหายาก และยังเป็นโลหะทรานซิชันอีกด้วย มีประสิทธิภาพสูงในการปรับปรุงคุณสมบัติของโลหะผสมอะลูมิเนียมที่เสียรูป

ในโลหะผสมอะลูมิเนียม Sc จะตกตะกอนเป็น Al₃Sc ที่มีความสอดคล้องกัน ส่งผลให้อุณหภูมิการตกผลึกใหม่เพิ่มขึ้น และยับยั้งการหยาบของเมล็ดพืช

เมื่อรวมกับ Zr อนุภาค Al₃(Sc,Zr) ที่ทนต่ออุณหภูมิสูงจะก่อตัวขึ้น ส่งเสริมให้เม็ดละเอียดมีรูปร่างสมดุล และขัดขวางการเคลื่อนที่แบบดิสโลเคชันและการเคลื่อนตัวของขอบเกรน ช่วยเพิ่มความแข็งแรง ความต้านทานต่อความล้า และประสิทธิภาพในการป้องกันการกัดกร่อนจากความเค้น

Sc ที่มากเกินไปอาจทำให้เกิดอนุภาค Al₃(Sc,Zr) หยาบ ส่งผลให้ความสามารถในการตกผลึกใหม่ ความแข็งแรง และความเหนียวลดลง

เออร์เบียม (Er)

ER ทำหน้าที่คล้ายกับ Sc แต่คุ้มต้นทุนมากกว่า

ในโลหะผสมซีรีส์ 7xxx การเติม Er ที่เหมาะสมจะทำให้เกรนละเอียดขึ้น ยับยั้งการเคลื่อนที่แบบดิสโลเคชั่นและการอพยพของขอบเกรน ยับยั้งการตกผลึกใหม่ และเพิ่มความแข็งแรง

เมื่อเติมร่วมกับ Zr จะเกิดอนุภาค Al₃(Er,Zr) ซึ่งมีความเสถียรทางความร้อนมากกว่า Al₃Er เพียงอย่างเดียว จึงยับยั้งการตกผลึกใหม่ได้ดีกว่า

Er ที่มากเกินไปอาจทำให้เกิดเฟส Al₈Cu₄Er ซึ่งทำให้ทั้งความแข็งแรงและความเหนียวลดลง

แกโดลิเนียม (Gd)

การเติม Gd ในปริมาณปานกลางจะทำให้เมล็ดละเอียดขึ้น เพิ่มความแข็งแรงและความเหนียว และเพิ่มความสามารถในการละลายของ Zn, Mg และ Cu ในเมทริกซ์

เฟส Al₃(Gd,Zr) ที่เกิดขึ้นจะทำให้เกิดการเคลื่อนตัวของอนุภาคและขอบใต้เกรน ยับยั้งการตกผลึกใหม่ นอกจากนี้ ยังเกิดฟิล์มแอคทีฟบนพื้นผิวเกรน ซึ่งจำกัดการเติบโตของเกรนอีกด้วย

Gd ที่มากเกินไปอาจทำให้เมล็ดพืชหยาบขึ้นและคุณสมบัติเชิงกลลดลง

แลนทานัม (La), เซเรียม (Ce), และอิตเทรียม (Y)

ลาทำให้เมล็ดพืชละเอียดขึ้น ลดปริมาณออกซิเจน และสร้างฟิล์มที่ทำงานอยู่บนพื้นผิวเมล็ดพืชเพื่อยับยั้งการเจริญเติบโต

La และ Ce ส่งเสริมการตกตะกอนโซน GP และเฟส η′ ปรับปรุงความแข็งแรงของเมทริกซ์และความต้านทานการกัดกร่อน

Y ช่วยทำให้เมทริกซ์บริสุทธิ์ ขัดขวางการละลายของธาตุโลหะผสมหลักในสารละลายของแข็ง ส่งเสริมการเกิดนิวเคลียส และลดความต่างศักย์ระหว่างขอบเกรนและภายใน ช่วยเพิ่มความทนทานต่อการกัดกร่อน

La, Ce หรือ Y ที่มากเกินไปอาจทำให้เกิดสารประกอบที่เป็นก้อนหยาบ ซึ่งจะลดความเหนียวและความแข็งแรง

สมบัติของธาตุหายากหลักและลักษณะเฉพาะของธาตุเหล่านี้ในอะลูมิเนียม