Extensas pesquisas foram conduzidas sobre a adição de elementos de terras raras (ETRs) às ligas de alumínio das séries 7xxx, 5xxx e 2xxx, demonstrando efeitos notáveis. Em particular, as ligas de alumínio da série 7xxx, que contêm múltiplos elementos de liga, frequentemente sofrem segregação severa durante a fusão e a fundição, levando à formação de quantidades significativas de fases eutéticas. Isso reduz a tenacidade e a resistência à corrosão, comprometendo o desempenho geral da liga. A incorporação de elementos de terras raras em ligas de alumínio altamente ligadas pode refinar os grãos, suprimir a segregação e purificar a matriz, melhorando assim a microestrutura e as propriedades gerais.
Recentemente, um tipo de refinador de grãos superplástico ganhou destaque. Esses refinadores exploram elementos de terras raras, como La e Ce, para aumentar o enfraquecimento dos contornos de grãos e subgrãos. Isso não apenas refina os grãos, mas também promove uma dispersão uniforme de precipitados, suprime a recristalização e melhora significativamente a ductilidade da liga, aumentando, em última análise, a produtividade nos processos de extrusão.
Nas ligas de alumínio da série 7xxx, os elementos de terras raras são geralmente adicionados de três maneiras:
1. Elementos de terras raras apenas;
2.Combinação de Zr e elementos de terras raras;
3. Combinação de Zr, Cr e elementos de terras raras.
O conteúdo total de elementos de terras raras é geralmente controlado entre 0,1–0,5% em peso.
Mecanismos de Elementos de Terras Raras
Elementos de terras raras como La, Ce, Sc, Er, Gd e Y contribuem para ligas de alumínio por meio de múltiplos mecanismos:
Refinamento de grãos: elementos de terras raras formam precipitados uniformemente distribuídos que atuam como locais de nucleação heterogêneos, convertendo estruturas dendríticas em grãos finos equiaxiais, o que melhora a resistência e a ductilidade.
Supressão da segregação: durante a fusão e a solidificação, os elementos de terras raras promovem uma distribuição mais uniforme dos elementos, reduzem a formação eutética e aumentam a densidade da matriz.
Purificação da matriz: Y, La e Ce podem reagir com impurezas na fusão (O, H, N, S) para formar compostos estáveis, reduzindo o conteúdo de gás e inclusões, o que melhora a qualidade da liga.
Modificação do comportamento de recristalização: Certos elementos de terras raras podem fixar os contornos de grãos e subgrãos, inibindo o movimento de discordâncias e a migração dos contornos de grãos. Isso retarda a recristalização e preserva as estruturas finas dos subgrãos durante o processamento térmico, melhorando tanto a resistência mecânica quanto a corrosão.
Principais elementos de terras raras e seus efeitos
Escândio (Sc)
O Sc possui o menor raio atômico entre os elementos de terras raras e também é um metal de transição. É altamente eficaz no aprimoramento das propriedades de ligas de alumínio deformadas.
Em ligas de alumínio, o Sc precipita como Al₃Sc coerente, aumentando a temperatura de recristalização e suprimindo o engrossamento dos grãos.
Quando combinados com Zr, formam-se partículas de Al₃(Sc,Zr) estáveis em altas temperaturas, promovendo grãos finos equiaxiais e dificultando o movimento de discordância e a migração dos contornos de grão. Isso melhora a resistência à fadiga, a resistência à fadiga e o desempenho sob tensão e corrosão.
O excesso de Sc pode levar à formação de partículas grossas de Al₃(Sc,Zr), reduzindo a capacidade de recristalização, a resistência e a ductilidade.
Érbio (Er)
Er age de forma semelhante ao Sc, mas é mais econômico.
Nas ligas da série 7xxx, adições apropriadas de Er refinam os grãos, inibem o movimento de deslocamento e a migração dos limites dos grãos, suprimem a recristalização e aumentam a resistência.
Quando coadicionado com Zr, formam-se partículas de Al₃(Er,Zr), que são mais estáveis termicamente do que o Al₃Er sozinho, proporcionando melhor supressão da recristalização.
O excesso de Er pode produzir fases Al₈Cu₄Er, reduzindo a resistência e a ductilidade.
Gadolínio (Gd)
Adições moderadas de Gd refinam os grãos, aumentam a resistência e a ductilidade e melhoram a solubilidade de Zn, Mg e Cu na matriz.
A fase Al₃(Gd,Zr) resultante fixa discordâncias e contornos de subgrãos, suprimindo a recristalização. Uma película ativa também se forma nas superfícies dos grãos, limitando ainda mais o crescimento dos grãos.
O excesso de Gd pode causar engrossamento dos grãos e deteriorar as propriedades mecânicas.
Lantânio (La), Cério (Ce) e Ítrio (Y)
La refina os grãos, reduz o conteúdo de oxigênio e forma uma película ativa na superfície dos grãos para inibir o crescimento.
La e Ce promovem a precipitação da zona GP e da fase η′, melhorando a resistência da matriz e a resistência à corrosão.
Y purifica a matriz, impede a dissolução dos principais elementos de liga na solução sólida, promove a nucleação e reduz as diferenças de potencial entre os limites dos grãos e os interiores, aumentando a resistência à corrosão.
Excesso de La, Ce ou Y pode levar à formação de compostos grosseiros e em blocos, o que reduz a ductilidade e a resistência.
Propriedades dos principais elementos de terras raras e suas características no alumínio
Data de publicação: 21/08/2025
