宣布时间：2021-12-02点击：1844
稀土在铸造铝合金中的应用外洋开展的较早，我国虽然从20世纪60年代才开始这方面的研究和应用，但生长很快，从机理研究到实际应用都做了大宗事情，并取得了一些结果 。陪同稀土元素的加入，铝合金的力学性能、铸造性能、电学性能等都获得了极大地改善 。在新质料领域，稀土元素富厚的光学、电学及磁学特性也发挥着重要的作用，用来制作稀土永磁质料、稀土发光质料、稀土贮氢质料等 。
一、稀土在铝及铝合金中的作用机理
稀土具有很高的化学活性、低电位和特殊电子层排布，险些能与所有的元素作用 。铝及铝合金中常用的稀土有La(镧)、Ce(铈)、Y(钇)和Sc(钪)，常以变质剂、生核剂和脱气剂加入铝液中，起到净化熔体、改善组织、细化晶粒等作用 。
01.稀土的净化作用
由于在熔铸铝合金时，会带入大宗气体和氧化夹杂(主要是氢、氧和氮)，使铸件爆发针孔、裂纹和夹杂等缺陷(见图1a)，降低铝合金的强度 。稀土的净化作用主要体现为明显减少铝液中的氢含量，降低针孔率和孔隙度(见图1b)，减少夹杂物和有害元素等 。主要是因为稀土与氢有较大的亲和力，能大宗吸赞同溶解氢，并形成稳定的化合物，不会聚集成气泡，使铝的含氢量和孔隙率明显降低 ；稀土与氮生成难熔化合物，在熔炼历程中大部分以渣的形式排除，从而抵达净化铝液的目的 。
实践证明，稀土具有降低铝及铝合金中氢、氧和硫含量的效果，在铝液中加入0.1%～0.3%的RE，有助于更好地清除有害杂质、细化杂质或改变其形貌，使之晶粒细化并漫衍均匀 ；另外，RE与低熔点有害杂质形成RES、REAs、REPb等二元化合物，而这些化合物具有熔点高、密度小、化学性质稳定的特点，可以上浮成渣、捞除，从而净化铝液 ；遗留的微细质点成为铝的异质晶核从而细化晶粒 。
02.稀土的变质作用
稀土变质作用主要体现在细化晶粒和枝晶，抑制粗片状T2相泛起，消除原晶内漫衍的粗大块状相并形成球状相，使晶界处条状及碎块状化合物明显减少(见图2所示) 。通常情况下，稀土原子半径大于铝原子半径，性质比较生动，熔于铝液中极易填补合金相的外貌缺陷，使得新旧两相界面上的外貌张力降低，提高了晶核的生长速度 ；同时还能在晶粒与熔融液之间形成外貌活性膜，阻止生成的晶粒长大，细化合金组织(见图2b所示) 。
加入稀土元素后α(Al)相晶�？急湫�，起到了一定的细化晶粒作用，原本粗大树枝状的α(Al)相酿成了较小的玫瑰状或者杆状，当稀土含量为0．3%时α(Al) 相的晶粒***小，随着稀土量进一步增加晶粒又逐渐变大 。实验证明稀土变质作用保存一定潜伏期，只有在高温下坚持一定的时间，稀土才会发挥***大的变质作用 。别的，铝与稀土形成的化合物在金属结晶时晶核数大宗增加也使得合金组织获得细化 。研究证明稀土对铝合金具有良好的变质效果 。
二、稀土的微合金化作用
稀土主要以3种形式保存于铝及铝合金中：固溶在基体α(Al)中 ；偏聚在相界、晶界和枝晶界 ；固溶在化合物中或以化合物形式保存 。稀土在铝合金中的强化作用主要包括细晶强化、有限固溶强化和稀土化合物的第二相强化等 。
稀土在铝及铝合金中的保存形式与其加入量有很大关系，一般当RE含量小于0.1%时，RE的作用主要以细晶强化和有限固溶强化为主 ；当RE含量为0.25%～0.30%时，RE与Al等形成大宗球状或短棒状的金属间化合物，漫衍在晶粒内或晶界中，并泛起大宗位错及细晶粒球化组织和弥散稀土化合物，会爆发第二相强化等微合金化效果 。
01.稀土对合金综协力学性能的影响
适量稀土的加入可以提高合金的强度、硬度、伸长率、断裂韧性和耐磨性等综协力学性能 。铸铝ZL10系合金中加入0.3%RE，其σb由205.9MPa提高274MPa，HB由80提高到108 ；7005合金中加入0.42%的Sc，其σb由314MPa增加到414MPa，σ0.2由282MPa增加到378MPa，塑性由6.8%增加到10.1%，并且高温稳定性显著增强 ；La和Ce可明显提高合金的超塑性，Al-6Mg-0.5Mn合金中加入0.14%～0.64% La，其超塑性从430%增加到800%～1000% ；对Al-Sc合金进行系统研究，发明添加适量的Sc可以大幅度提高合金质料的屈服强度和极限拉伸强度 。图3为Al-Si7-Mg0.8合金拉伸断口SEM形貌图，说明未加入RE时为典范的脆性解理断裂，而加入0.3%RE后，断口中泛起了明显的韧窝状组织，说明其具有良好的韧性和延展性 。
02.稀土对合金高温性能的影响
在铝合金中加入一定量的稀土，可以有效提高铝合金的耐高温氧化性能 。向铸造Al-Si系共晶合金中添加1%～1.5%混淆稀土，高温强度提高了33%，高温长期强度(300℃、1000小时)提高了44%，并且耐磨性和高温稳定性显著提高 ；在铸造Al-Cu系合金中添加La、Ce、Y和混淆稀土可以改善合金的高温性能 ；快速凝固的Al-8.4%Fe-3.4%Ce合金，可以在400℃以下长时间事情，大大提高了铝合金的使用事情温度 ；将Sc加入到Al-Mg-Si合金中，形成在高温下不易粗化与基体共格的Al3Sc粒子钉扎晶界使得合金在退火历程中坚持未再结晶组织，大幅度提高合金的高温性能 。
四、稀土对合金光学性能的影响
将稀土加入铝合金中可以改变其外貌氧化膜的结构，使外貌越发灼烁美观 。向铝合金中加入0.12%～0.25%的RE时，被氧化着色的稀土6063型材的反射率高达92% ；向Al-Mg系铸造铝合金中添加0.1%～0.3%的RE时，可使合金获得***好的外貌光洁度和光泽长期性 。
04.稀土对合金电学性能的影响
向高纯铝中添加稀土对合金导电性是有害的，可是在工业纯铝和Al-Mg-Si 导电合金中添加适量的RE，电导率却可以获得一定水平的提高 。实验结果标明，在铝中添加0.2%的RE，可使导电率提高2%～3% 。在Al-Zr合金中加入少量富钇稀土，可提高合金导电率，该合金已为海内大大都电线厂接纳 ；向高纯铝中添加微量稀土，制成Al-RE箔电容器，用于25kV产品中，电容指标提高1倍，单位体积容量提高5倍，重量减轻47%，电容器体积显著减小 。
05.稀土对合金耐腐化性能的影响
在一些使用情况中尤其是保存氯离子时，合金极易遭受腐化、漏洞腐化、应力腐化和腐化疲劳等破坏 。为了提高铝合金的耐腐化性能，人们进行了许多研究，研究中发明向铝合金中添加适量的稀土可以有效的提高其耐腐化性能 。向铝中添加差别量(0.1%～0.5%)混淆稀土制得的试样，在含盐水和人造海水中连续3年浸泡试验结果标明，铝中加入少量稀土可以提高铝的耐腐化性，在含盐水和人造海水中耐腐化性比铝划分高24%和32% ；接纳化学气相法，加入稀土多组元渗剂( La、Ce等)，能在2024合金外貌形成一层稀土转化膜，使铝合金的外貌电极电位趋于均匀，提高抗晶间腐化和应力腐化性能 ；将La加入到高Mg铝合金中，能显著提高合金的抗海洋腐化能力 ；在铝合金中添加1.5%～2.5%Nd，可提高合金的高温性能、气密性和耐腐化性，广泛用作航空航天质料 。
五、稀土铝合金的制备技术
稀土在铝合金及其它合金中多以微量元素形式加入，稀土化学活性很高、熔点高、高温下易氧化烧损等，这给稀土铝合金的制备和应用研究造成了一定的困难 。在恒久的试验研究中，人们不绝探索稀土铝合金的制备要领 。目前制备稀土铝合金的生产要领主要有混熔法、熔盐电解法和铝热还原法 。
01.混熔法
混熔法是将稀土或混淆稀土金属按比例加到高温铝液中，制得中间合金或应用合金，将中间合金和按盘算余量剩下的铝再一起熔炼、充分搅拌、精炼 。
02.熔电解法
熔盐电解法是在电解铝时，向工业铝电解槽中加入稀土氧化物或稀土盐类，同氧化铝一起电解，以制取稀土铝合金 。熔盐电解法在我国生长比较快，一般可以有两种途径即液态阴极法和电解共析法，目前已经生长到了可以直接把稀土化合物加入工业铝电解槽里，用共析法电解氯化物熔体生产出稀土铝合金 。
03.铝热还原法
由于金属铝具有很强的还原能力，铝又可以与稀土形成多种金属间化合物，因此可以接纳铝作还原剂来制备稀土铝合金 。其主要化学反应如下式体现:
RE2O3 + 6Al→2REAl2 + Al2O3
其中，稀土原料可用稀土氧化物或稀土富渣 ；还原剂可接纳工业用纯铝或硅铝等 ；还原温度1400℃～1600℃ 。早期是在有助热剂和助熔剂保存的条件下进行的，并且还原温度较高都会爆发许多问题 ；近年来，研究人员研究出一种新的铝热还原法，在较低温度(780℃)，在氟化钠、氯化钠体系中完成的铝热还原反应，制止了原来高温爆发的问题 。
六、稀土铝合金的应用进展
01.稀土铝合金在电力行业中的应用
由于稀土铝合金具有导电性好、载流量大、强度高、耐磨损、易加工、寿命长等优点可用于制造电缆线、架空输电线、线芯、滑接线和特殊用途的细导线 。在Al－Si合金系中加入微量的RE可以提高导电性，这是因为铝合金中硅是含量较高的杂质元素对电性能的影响较大，而添加适量的稀土可以改善硅在合金中的保存形态和漫衍情况，能够有效改善铝的电性能 ；在耐热铝合金导线中加入少量的钇或富钇混淆稀土后，不但坚持良好的高温性能还可以提高导电率 ；稀土可以提高铝合金系的拉伸强度、耐热性和耐腐化性，接纳稀土铝合金的电缆、导线可以加大架设电缆线铁塔的跨距，并延长电缆的使用寿命 。
02.稀土铝合金在建筑行业中的应用
在建筑行业应用***广泛的是6063铝合金，加入0.15%～0.25%的稀土，可以明显改善铸态组织和加工组织，可以提高挤压性能、热处理效果、力学性能、耐蚀性能、外貌处理性能和色调 。研究发明，在6063铝合金中稀土主要漫衍在α－Al中和相界、晶界以及枝晶间，它们固溶在化合物中或以化合物的形式保存，细化枝晶组织和晶粒，使未溶共晶尺寸和韧窝区中的韧窝尺寸显著变小，漫衍均匀，密度增加，使合金的各项性能获得差别水平的改善，如型材强度提高20%以上，延伸率提高50%，腐化速率降低一倍以上，氧化膜厚度增加5%～8%，着色性能提高3%左右 。因此RE－6063合金建筑型材获得广泛应用 。
03.稀土铝合金在日用制品中的应用
在日用铝制品用纯铝和Al-Mg系等铝合金中添加微量稀土，能明显提高力学性能、深冲性和耐蚀性 。接纳Al-Mg-RE合金制造的铝壶、铝锅、铝盘、铝饭盒、铝家具支架、铝自行车和家电零部件等生活日用品，与未加稀土的铝合金制品相比，耐腐化性提高2倍多，重量减轻10%～15%，制品率增加10%～20%，生产本钱降低10%～15%，且具有更好的深冲和深加工性能 。目前，稀土铝合金日用品获得了广泛的应用，产品大幅增加，脱销海内外市场 。
04.稀土铝合金在其它方面的应用
在用量***多的铝硅系铸造合金中，加上千分之几的稀土，就能明显改善合金的机械加工性能，已有多种牌号的产品用于飞机、船舶、汽车、柴油机、摩托车和装甲车(活塞、齿轮箱、汽缸和仪器仪表等器部件)等方面 。在研究和应用中发明，Sc是优化铝合金组织性能的***有效元素，对铝有很强的弥散强化、细晶强化、固溶强化和微合金强化作用，可以提高合金的强度、硬度、塑性、韧性、抗蚀性、耐热性等 。Sc-Al系合金已应用于航天航空、舰船、高速列车、轻型汽车等高新技术工业 。美国航天局开发的C557Al-Mg-Zr-Sc系钪铝合金具有高强度和高温与低温稳定性已应用于飞机机身与飞机结构件 ；俄罗斯研究开发的0146Al-Cu-Li-Sc系合金已应用于航天器低温燃料贮箱 。
来源 ：材易通
