उच्च-स्तरीय 7xxx श्रृंखला विकृत एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं में दुर्लभ मृदा तत्वों की भूमिका

7xxx, 5xxx, और 2xxx श्रृंखला के एल्युमीनियम मिश्रधातुओं में दुर्लभ मृदा तत्वों (REE) के सम्मिश्रण पर व्यापक शोध किया गया है, जिसके उल्लेखनीय परिणाम सामने आए हैं। विशेष रूप से, 7xxx श्रृंखला के एल्युमीनियम मिश्रधातु, जिनमें अनेक मिश्रधातु तत्व होते हैं, पिघलने और ढलाई के दौरान अक्सर गंभीर पृथक्करण का अनुभव करते हैं, जिससे महत्वपूर्ण मात्रा में यूटेक्टिक प्रावस्थाएँ बनती हैं। इससे कठोरता और संक्षारण प्रतिरोध कम हो जाता है, जिससे मिश्रधातु का समग्र प्रदर्शन प्रभावित होता है। अत्यधिक मिश्रधातुयुक्त एल्युमीनियम मिश्रधातुओं में दुर्लभ मृदा तत्वों के सम्मिलन से कणों का शोधन, पृथक्करण को कम करने और मैट्रिक्स को शुद्ध करने में मदद मिलती है, जिससे सूक्ष्म संरचना और समग्र गुणों में सुधार होता है।

हाल ही में, एक प्रकार के सुपरप्लास्टिक अनाज शोधक ने ध्यान आकर्षित किया है। ये शोधक अनाज और उप-अनाज सीमाओं को कमज़ोर करने के लिए La और Ce जैसे दुर्लभ मृदा तत्वों का उपयोग करते हैं। यह न केवल अनाज को परिष्कृत करता है, बल्कि अवक्षेपों के एकसमान फैलाव को भी बढ़ावा देता है, पुनःक्रिस्टलीकरण को रोकता है, और मिश्रधातु की तन्यता में उल्लेखनीय सुधार करता है, जिससे अंततः निष्कर्षण प्रक्रियाओं में उत्पादकता बढ़ जाती है।

7xxx श्रृंखला एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं में, दुर्लभ पृथ्वी तत्वों को आम तौर पर तीन तरीकों से जोड़ा जाता है:

1.केवल दुर्लभ पृथ्वी तत्व;

2. Zr और दुर्लभ पृथ्वी तत्वों का संयोजन;

3. Zr, Cr, और दुर्लभ पृथ्वी तत्वों का संयोजन।

दुर्लभ मृदा तत्वों की कुल मात्रा आमतौर पर 0.1-0.5 wt% के भीतर नियंत्रित की जाती है।

दुर्लभ मृदा तत्वों की क्रियाविधि

दुर्लभ मृदा तत्व जैसे La, Ce, Sc, Er, Gd, और Y कई तंत्रों के माध्यम से एल्यूमीनियम मिश्रधातुओं में योगदान करते हैं:

कण शोधन: दुर्लभ मृदा तत्व समान रूप से वितरित अवक्षेप बनाते हैं जो विषम नाभिकीकरण स्थलों के रूप में कार्य करते हैं, तथा वृक्षीय संरचनाओं को समरूप सूक्ष्म कणों में परिवर्तित करते हैं, जिससे शक्ति और तन्यता में सुधार होता है।

पृथक्करण का दमन: पिघलने और ठोसीकरण के दौरान, दुर्लभ मृदा तत्व अधिक समान तत्व वितरण को बढ़ावा देते हैं, यूटेक्टिक गठन को कम करते हैं, और मैट्रिक्स घनत्व को बढ़ाते हैं।

मैट्रिक्स शुद्धिकरण: Y, La, और Ce पिघले हुए पदार्थ (O, H, N, S) में अशुद्धियों के साथ प्रतिक्रिया करके स्थिर यौगिक बनाते हैं, जिससे गैस की मात्रा और समावेशन कम हो जाते हैं, जिससे मिश्र धातु की गुणवत्ता बढ़ जाती है।

पुनःक्रिस्टलीकरण व्यवहार में परिवर्तन: कुछ दुर्लभ मृदा तत्व कण और उप-कण सीमाओं को स्थिर कर सकते हैं, जिससे विस्थापन गति और कण सीमा प्रवास बाधित होता है। इससे पुनःक्रिस्टलीकरण में देरी होती है और तापीय प्रसंस्करण के दौरान सूक्ष्म उप-कण संरचनाओं का संरक्षण होता है, जिससे शक्ति और संक्षारण प्रतिरोध दोनों में सुधार होता है।

प्रमुख दुर्लभ पृथ्वी तत्व और उनके प्रभाव

स्कैंडियम (Sc)

दुर्लभ मृदा तत्वों में Sc की परमाणु त्रिज्या सबसे छोटी होती है और यह एक संक्रमण धातु भी है। यह विकृत एल्युमीनियम मिश्रधातुओं के गुणों को बढ़ाने में अत्यधिक प्रभावी है।

एल्यूमीनियम मिश्रधातुओं में, Sc सुसंगत Al₃Sc के रूप में अवक्षेपित होता है, जिससे पुनःक्रिस्टलीकरण तापमान बढ़ता है और कणों का मोटा होना कम हो जाता है।

Zr के साथ संयोजन करने पर, उच्च-तापमान स्थिर Al₃(Sc,Zr) कण बनते हैं, जो समरूप महीन कणों को बढ़ावा देते हैं और विस्थापन गति और कण सीमा प्रवास को बाधित करते हैं। इससे शक्ति, थकान प्रतिरोध और तनाव-संक्षारण प्रदर्शन में सुधार होता है।

अत्यधिक Sc से Al₃(Sc,Zr) कण मोटे हो सकते हैं, जिससे पुनःक्रिस्टलीकरण क्षमता, शक्ति और लचीलापन कम हो सकता है।

एर्बियम (Er)

Er, Sc के समान कार्य करता है, लेकिन अधिक लागत प्रभावी है।

7xxx श्रृंखला मिश्रधातुओं में, उपयुक्त Er परिवर्धन कणों को परिष्कृत करते हैं, विस्थापन गति और कण सीमा प्रवास को रोकते हैं, पुनःक्रिस्टलीकरण को दबाते हैं, और शक्ति को बढ़ाते हैं।

जब Zr के साथ सह-जोड़ा जाता है, तो Al₃(Er,Zr) कण बनते हैं, जो अकेले Al₃Er की तुलना में अधिक तापीय रूप से स्थिर होते हैं, तथा बेहतर पुनःक्रिस्टलीकरण दमन प्रदान करते हैं।

अत्यधिक Er, Al₈Cu₄Er चरण उत्पन्न कर सकता है, जिससे शक्ति और लचीलापन दोनों कम हो जाते हैं।

गैडोलीनियम (Gd)

मध्यम मात्रा में Gd मिलाने से कण परिष्कृत होते हैं, शक्ति और लचीलापन बढ़ता है, तथा मैट्रिक्स में Zn, Mg, और Cu की घुलनशीलता बढ़ती है।

परिणामी Al₃(Gd,Zr) प्रावस्था अव्यवस्थाओं और उपकण सीमाओं को पिन करती है, जिससे पुनःक्रिस्टलीकरण बाधित होता है। कण सतहों पर एक सक्रिय फिल्म भी बनती है, जो कण वृद्धि को और सीमित कर देती है।

अत्यधिक Gd के कारण अनाज मोटा हो सकता है और यांत्रिक गुण खराब हो सकते हैं।

लैंथेनम (La), सेरियम (Ce), और यिट्रियम (Y)

ला अनाज को परिष्कृत करता है, ऑक्सीजन की मात्रा को कम करता है, तथा अनाज की सतह पर एक सक्रिय फिल्म बनाता है जो विकास को बाधित करता है।

La और Ce, GP क्षेत्र और η' चरण वर्षण को बढ़ावा देते हैं, जिससे मैट्रिक्स की मजबूती और संक्षारण प्रतिरोध में सुधार होता है।

Y मैट्रिक्स को शुद्ध करता है, प्रमुख मिश्रधातु तत्वों को ठोस विलयन में घुलने से रोकता है, न्यूक्लिएशन को बढ़ावा देता है, तथा कण सीमाओं और अंदरूनी भागों के बीच विभवांतर को कम करता है, जिससे संक्षारण प्रतिरोध बढ़ता है।

अत्यधिक मात्रा में La, Ce, या Y के कारण मोटे ब्लॉकनुमा यौगिक बन सकते हैं, जो लचीलापन और मजबूती को कम कर देते हैं।

प्रमुख दुर्लभ मृदा तत्वों के गुण और एल्युमीनियम में उनकी विशेषताएँ