Des recherches approfondies ont été menées sur l'ajout d'éléments de terres rares (REE) aux alliages d'aluminium des séries 7xxx, 5xxx et 2xxx, et ont montré des effets notables. En particulier, les alliages d'aluminium de la série 7xxx, qui contiennent plusieurs éléments d'alliage, subissent souvent une ségrégation importante lors de la fusion et de la coulée, entraînant la formation d'importantes quantités de phases eutectiques. Cela réduit la ténacité et la résistance à la corrosion, compromettant ainsi les performances globales de l'alliage. L'incorporation d'éléments de terres rares dans les alliages d'aluminium fortement alliés permet d'affiner les grains, de supprimer la ségrégation et de purifier la matrice, améliorant ainsi la microstructure et les propriétés globales.
Récemment, un type d'affineur de grains superplastique a suscité un intérêt croissant. Ces affineurs exploitent des éléments de terres rares tels que La et Ce pour améliorer l'affaiblissement des joints de grains et de sous-grains. Cela permet non seulement d'affiner les grains, mais aussi de favoriser une dispersion uniforme des précipités, de supprimer la recristallisation et d'améliorer significativement la ductilité des alliages, augmentant ainsi la productivité des procédés d'extrusion.
Dans les alliages d'aluminium de la série 7xxx, les éléments de terres rares sont généralement ajoutés de trois manières :
1. Éléments de terres rares seuls ;
2. Combinaison de Zr et d’éléments de terres rares ;
3. Combinaison de Zr, Cr et d’éléments de terres rares.
La teneur totale en éléments de terres rares est généralement contrôlée entre 0,1 et 0,5 % en poids.
Mécanismes des éléments des terres rares
Les éléments des terres rares tels que La, Ce, Sc, Er, Gd et Y contribuent aux alliages d'aluminium par de multiples mécanismes :
Affinage des grains : les éléments des terres rares forment des précipités uniformément répartis qui agissent comme des sites de nucléation hétérogènes, convertissant les structures dendritiques en grains fins équiaxes, ce qui améliore la résistance et la ductilité.
Suppression de la ségrégation : lors de la fusion et de la solidification, les éléments des terres rares favorisent une distribution plus uniforme des éléments, réduisent la formation d'eutectiques et augmentent la densité de la matrice.
Purification de la matrice : Y, La et Ce peuvent réagir avec les impuretés de la masse fondue (O, H, N, S) pour former des composés stables, réduisant ainsi la teneur en gaz et les inclusions, ce qui améliore la qualité de l'alliage.
Modification du comportement de recristallisation : Certaines terres rares peuvent bloquer les joints de grains et de sous-grains, inhibant ainsi le mouvement des dislocations et la migration des joints de grains. Cela retarde la recristallisation et préserve les structures fines des sous-grains lors du traitement thermique, améliorant ainsi la résistance mécanique et la résistance à la corrosion.
Éléments clés des terres rares et leurs effets
Scandium (Sc)
Le Sc possède le plus petit rayon atomique parmi les terres rares et est également un métal de transition. Il est très efficace pour améliorer les propriétés des alliages d'aluminium déformés.
Dans les alliages d'aluminium, le Sc précipite sous forme d'Al₃Sc cohérent, augmentant la température de recristallisation et supprimant le grossissement des grains.
Associées au Zr, des particules d'Al₃(Sc,Zr) stables à haute température se forment, favorisant la formation de grains fins équiaxes et entravant le mouvement des dislocations et la migration des joints de grains. Cela améliore la résistance mécanique, la résistance à la fatigue et la résistance à la corrosion sous contrainte.
Un excès de Sc peut conduire à des particules grossières d'Al₃(Sc,Zr), réduisant la capacité de recristallisation, la résistance et la ductilité.
Erbium (Er)
L'Er agit de manière similaire au Sc mais est plus rentable.
Dans les alliages de la série 7xxx, des ajouts d'Er appropriés affinent les grains, inhibent le mouvement de dislocation et la migration des joints de grains, suppriment la recristallisation et améliorent la résistance.
Lorsqu'ils sont co-ajoutés avec du Zr, des particules d'Al₃(Er,Zr) se forment, qui sont plus stables thermiquement que l'Al₃Er seul, offrant une meilleure suppression de la recristallisation.
Un excès d'Er peut produire des phases Al₈Cu₄Er, réduisant à la fois la résistance et la ductilité.
Gadolinium (Gd)
Les ajouts modérés de Gd affinent les grains, augmentent la résistance et la ductilité et améliorent la solubilité du Zn, du Mg et du Cu dans la matrice.
La phase Al₃(Gd,Zr) ainsi obtenue bloque les dislocations et les joints de sous-grains, empêchant ainsi la recristallisation. Un film actif se forme également à la surface des grains, limitant encore davantage leur croissance.
Un excès de Gd peut provoquer un grossissement des grains et détériorer les propriétés mécaniques.
Lanthane (La), Cérium (Ce) et Yttrium (Y)
La affine les grains, réduit la teneur en oxygène et forme un film actif sur les surfaces des grains pour inhiber la croissance.
La et Ce favorisent la précipitation de la zone GP et de la phase η′, améliorant ainsi la résistance de la matrice et la résistance à la corrosion.
Y purifie la matrice, empêche la dissolution des principaux éléments d'alliage dans la solution solide, favorise la nucléation et réduit les différences de potentiel entre les limites des grains et les intérieurs, améliorant ainsi la résistance à la corrosion.
Un excès de La, Ce ou Y peut conduire à des composés grossiers et en blocs, qui réduisent la ductilité et la résistance.
Propriétés des principaux éléments des terres rares et leurs caractéristiques dans l'aluminium
Date de publication : 21 août 2025
