Se han realizado extensas investigaciones sobre la adición de tierras raras (TER) a las aleaciones de aluminio de las series 7xxx, 5xxx y 2xxx, mostrando efectos notables. En particular, las aleaciones de aluminio de la serie 7xxx, que contienen múltiples elementos de aleación, suelen experimentar una segregación severa durante la fusión y la colada, lo que da lugar a la formación de cantidades significativas de fases eutécticas. Esto reduce la tenacidad y la resistencia a la corrosión, comprometiendo así el rendimiento general de la aleación. La incorporación de tierras raras en aleaciones de aluminio altamente aleadas puede refinar los granos, suprimir la segregación y purificar la matriz, mejorando así la microestructura y las propiedades generales.
Recientemente, ha cobrado relevancia un tipo de refinador de grano superplástico. Estos refinadores aprovechan tierras raras como el La y el Ce para mejorar el debilitamiento de los límites de grano y subgrano. Esto no solo refina los granos, sino que también promueve una dispersión uniforme de los precipitados, suprime la recristalización y mejora significativamente la ductilidad de la aleación, lo que, en última instancia, aumenta la productividad en los procesos de extrusión.
En las aleaciones de aluminio de la serie 7xxx, los elementos de tierras raras generalmente se agregan de tres maneras:
1.Solo elementos de tierras raras;
2.Combinación de Zr y elementos de tierras raras;
3.Combinación de Zr, Cr y elementos de tierras raras.
El contenido total de elementos de tierras raras normalmente se controla entre el 0,1 y el 0,5 % en peso.
Mecanismos de los elementos de tierras raras
Los elementos de tierras raras como La, Ce, Sc, Er, Gd e Y contribuyen a las aleaciones de aluminio a través de múltiples mecanismos:
Refinamiento de grano: Los elementos de tierras raras forman precipitados distribuidos uniformemente que actúan como sitios de nucleación heterogéneos, convirtiendo las estructuras dendríticas en granos finos equiaxiales, lo que mejora la resistencia y la ductilidad.
Supresión de la segregación: durante la fusión y la solidificación, los elementos de tierras raras promueven una distribución de elementos más uniforme, reducen la formación eutéctica y aumentan la densidad de la matriz.
Purificación de la matriz: Y, La y Ce pueden reaccionar con las impurezas en la masa fundida (O, H, N, S) para formar compuestos estables, reduciendo el contenido de gas y las inclusiones, lo que mejora la calidad de la aleación.
Modificación del comportamiento de recristalización: Ciertas tierras raras pueden fijar los límites de grano y subgrano, inhibiendo el movimiento de dislocación y la migración de los límites de grano. Esto retrasa la recristalización y preserva las estructuras finas de subgrano durante el procesamiento térmico, mejorando así la resistencia y la resistencia a la corrosión.
Elementos clave de tierras raras y sus efectos
Escandio (Sc)
El Sc tiene el radio atómico más pequeño entre los elementos de tierras raras y, además, es un metal de transición. Es muy eficaz para mejorar las propiedades de las aleaciones de aluminio deformadas.
En las aleaciones de aluminio, Sc precipita como Al₃Sc coherente, lo que aumenta la temperatura de recristalización y suprime el engrosamiento del grano.
Al combinarse con Zr, se forman partículas de Al₃(Sc,Zr) estables a alta temperatura, lo que promueve la formación de granos finos equiaxiales y dificulta el movimiento de dislocación y la migración de los límites de grano. Esto mejora la resistencia mecánica, la resistencia a la fatiga y el rendimiento frente a la corrosión bajo tensión.
Un exceso de Sc puede generar partículas gruesas de Al₃(Sc,Zr), lo que reduce la capacidad de recristalización, la resistencia y la ductilidad.
Erbio (Er)
Er actúa de manera similar a Sc pero es más rentable.
En las aleaciones de la serie 7xxx, las adiciones de Er apropiadas refinan los granos, inhiben el movimiento de dislocación y la migración de los límites de grano, suprimen la recristalización y mejoran la resistencia.
Cuando se agrega junto con Zr, se forman partículas de Al₃(Er,Zr), que son más estables térmicamente que el Al₃Er solo, lo que proporciona una mejor supresión de la recristalización.
El exceso de Er puede producir fases Al₈Cu₄Er, reduciendo tanto la resistencia como la ductilidad.
Gadolinio (Gd)
Las adiciones moderadas de Gd refinan los granos, aumentan la resistencia y la ductilidad y mejoran la solubilidad de Zn, Mg y Cu en la matriz.
La fase Al₃(Gd,Zr) resultante fija las dislocaciones y los límites de subgrano, suprimiendo la recristalización. Además, se forma una película activa sobre la superficie del grano, lo que limita aún más su crecimiento.
El exceso de Gd puede provocar el engrosamiento del grano y deteriorar las propiedades mecánicas.
Lantano (La), cerio (Ce) e itrio (Y)
El La refina los granos, reduce el contenido de oxígeno y forma una película activa en las superficies de los granos para inhibir el crecimiento.
La y Ce promueven la precipitación de la zona GP y de la fase η′, mejorando la resistencia de la matriz y la resistencia a la corrosión.
Y purifica la matriz, impide la disolución de los principales elementos de aleación en la solución sólida, promueve la nucleación y reduce las diferencias potenciales entre los límites de grano y los interiores, mejorando la resistencia a la corrosión.
El exceso de La, Ce o Y puede dar lugar a compuestos en bloques gruesos, que reducen la ductilidad y la resistencia.
Propiedades de los principales elementos de tierras raras y sus características en el aluminio
Hora de publicación: 21 de agosto de 2025
