Zespół badawczy Uniwersytetu Technologicznego w Lanzhou osiągnął przełom w dziedzinie kompozytowych stopów ziem rzadkich

Zespół badawczy ze Szkoły Inżynierii Metalurgii i Środowiska poczynił znaczące postępy w kontroli wydajności stopów aluminium-krzem hipoeutektycznych. Zespół opracował nowy stop kompozytowy Al-Ti-La-Sr, który znacząco poprawia zarówno mikrostrukturę, jak i właściwości mechaniczne stopów aluminium przy zaledwie śladowych dodatkach. Wyniki badań zostały opublikowane w Journal of Rare Earths, wiodącym międzynarodowym czasopiśmie z dziedziny materiałów ziem rzadkich i hutnictwa metali nieżelaznych. Klasyfikowany jako czasopismo CAS Zone 1 TOP o wskaźniku wpływu 7,2 na rok 2024, czasopismo cieszy się szerokim wpływem akademickim i przywództwem w branży w międzynarodowej społeczności naukowej zajmującej się materiałami. Pierwszym autorem artykułu jest badacz Ding Wanwu ze Szkoły Inżynierii Metalurgii i Środowiska, a badacz Ding Wanwu i wykładowca An Jiazhi pełnią funkcję współodpowiadających autorów.

Wyzwanie branżowe

Stopy aluminium-krzem hipoeutektyczne, takie jak Al-7Si-0,3Mg, są kluczowymi materiałami podstawowymi dla lekkich elementów konstrukcyjnych w zaawansowanym sprzęcie, w tym w silnikach samochodowych i zastosowaniach lotniczych. Jednak ich mikrostruktura w stanie odlewniczym zazwyczaj charakteryzuje się grubymi ziarnami α-Al i iglastym (igiełkowatym) rozmieszczeniem krzemu eutektycznego. Problemy te prowadzą do niskiej wytrzymałości na rozciąganie i słabej plastyczności, co utrudnia spełnienie rygorystycznych wymagań zaawansowanego przetwórstwa dla stopów aluminium o wysokiej wydajności. Konwencjonalne techniki modyfikacji często wykorzystują połączone traktowanie w celu rozdrobnienia ziarna i modyfikacji fazy krzemowej. Jednak pierwiastki Ti i Sr mają tendencję do wykazywania efektów antagonistycznych, co skutkuje nie tylko ograniczoną poprawą wydajności, ale także wyższymi poziomami dodatku i zwiększonymi kosztami.

Innowacyjne rozwiązanie i mechanizm

Aby sprostać temu powszechnemu wyzwaniu w branży, zespół badawczy innowacyjnie opracował stop kompozytowy ziem rzadkich Al-Ti-La-Sr, skutecznie pokonując wąskie gardło techniczne spowodowane wzajemnym oddziaływaniem tradycyjnych pierwiastków. Badanie wykazało, że utworzona w stopie faza ziem rzadkich Ti₂Al₂₀La odgrywa podwójną rolę. Z jednej strony działa jako wydajne miejsce nukleacji heterogenicznej, znacząco rozdrabniając ziarna α-Al. Z drugiej strony, poprzez uwolnienie Ti i La oraz synergistyczny efekt z Sr, ułatwia transformację krzemu eutektycznego z morfologii iglastej do ziarnistej, jednocześnie promując jednorodne wytrącanie się nanocząsteczkowych faz wtórnych. Tworzy to wieloskalowy synergistyczny mechanizm wzmocnienia, łączący rozdrobnienie ziarna, sferoidyzację fazy krzemowej i wzmocnienie nanocząsteczkowe. Wyniki eksperymentalne pokazują, że przy zaledwie śladowym dodatku (≤0,2%) nowego stopu kompozytowego, wytrzymałość na rozciąganie stopu Al-7Si-0,3Mg wzrasta o ponad 32%, granica plastyczności o ponad 44%, wydłużenie o ponad 95%, a mikrotwardość o ponad 26%. Ogólna wydajność jest znacznie lepsza niż w tradycyjnym procesie Al-Ti-B + Sr, skutecznie rozwiązując kluczowe problemy branżowe, takie jak antagonizm pierwiastków, wysokie poziomy dodatku i ograniczone zwiększenie wydajności.

Perspektywy na przyszłość

Patrząc w przyszłość, zespół badawczy skupi się na niskokosztowym i wydajnym przygotowaniu stopów bazowych faz ziem rzadkich mikro-nano, produkcji drutu i zastosowaniach inżynieryjnych. Zespół ma na celu przyspieszenie wdrażania i promocji tych wyników badań, wspierając modernizację technologiczną lekkich materiałów w pojazdach z nową energią, zaawansowanym przetwórstwie sprzętu i innych dziedzinach, przyczyniając się tym samym do wysokiej jakości rozwoju chińskiego przemysłu materiałów metali nieżelaznych.