新型鋁合金更耐熱 還可讓鈰變廢為寶
美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員與合作伙伴勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、威斯康星州的Eck工業(yè)公司合作開發(fā)了一種新型鋁合金，比現(xiàn)有產(chǎn)品實(shí)用性好且更耐高溫。更為重要的是，這種含有鈰的鋁合金有可能極大提高美國(guó)稀土的產(chǎn)量。
鈰是一種稀土元素，可與鋁形成金屬間化合物，其熔點(diǎn)超過1000攝氏度。鋁-鈰系合金非常適合用于內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，測(cè)試表明該系列合金可以在300攝氏度環(huán)境下穩(wěn)定工作。鋁-鈰合金的可鑄性與鋁-硅系合金相當(dāng)，非常易于加工，金屬間化合物的穩(wěn)定性消除了許多熱處理環(huán)節(jié)。研究人員還指出，由于鋁合金的廣泛應(yīng)用，鋁-鈰合金的發(fā)現(xiàn)將啟動(dòng)并快速推進(jìn)鈰稀土元素產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，據(jù)初步估算，即使按1%的添加量，每年對(duì)鈰的市場(chǎng)需求亦可達(dá)到3000噸。
橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家Zach Sims、Michael McGuire 和Orlando Rios與來自Eck工業(yè)公司、勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、愛荷華州的埃姆斯實(shí)驗(yàn)室的同事們?cè)谝黄恼轮刑接懥虽X鈰合金的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性，該論文發(fā)表在礦物、金屬和材料協(xié)會(huì)的出版物JOM上。
稀土是一組對(duì)電子器件、可替代能源和其他現(xiàn)代技術(shù)非常重要的元素。例如，現(xiàn)代的風(fēng)力發(fā)電和混合動(dòng)力汽車對(duì)由稀土元素釹和鏑制造的強(qiáng)大的永磁鐵非常依賴。然而，在現(xiàn)在的北美并沒有進(jìn)行稀土的生產(chǎn)。其中一個(gè)問題是，包括美國(guó)的稀土礦在內(nèi)，鈰含量高達(dá)稀土含量一半以上，但是稀土生產(chǎn)商很難找到鈰礦市場(chǎng)。事實(shí)上，在美國(guó)最常見的稀土礦，鈰的含量是釹含量的3倍以上、鏑含量的500倍以上。
鋁鈰合金有望通過增加需求來促進(jìn)國(guó)內(nèi)稀土礦開采，并最終提高鈰的價(jià)值。Rios解釋道，我們有足夠的稀土來滿足能源技術(shù)的需要，但當(dāng)你提煉稀土?xí)r，得到的大部分元素是鈰和鑭，限制了稀土的大規(guī)模使用。例如，如果在內(nèi)燃機(jī)上用到鋁鈰合金，這樣可以迅速將鈰從一個(gè)糟糕的副產(chǎn)品轉(zhuǎn)換為一個(gè)有價(jià)值的產(chǎn)品。
Rios解釋說：“鋁產(chǎn)業(yè)是巨大的，汽車產(chǎn)業(yè)中使用了大量的鋁，所以對(duì)于鋁鈰合金即使是一個(gè)非常小的突破，將導(dǎo)致市場(chǎng)使用大量的鈰元素。事實(shí)上，市場(chǎng)上1%的鋁合金中加入鈰，市場(chǎng)將產(chǎn)生3000t的鈰需求量。
Rios表示，與傳統(tǒng)的鋁合金相比，鋁鈰合金具有成本低，可鑄造性高，熱處理需求低和高溫穩(wěn)定性好。Eck工業(yè)公司工程研究和開發(fā)的副總裁David Weiss表示：”大多數(shù)具有卓越性能的合金很難澆鑄，但鋁鈰合金具備優(yōu)異的性能，且其鑄造特性與鋁硅合金相差無幾。“
合金的高溫性能的關(guān)鍵是形成一種特殊的鋁-鈰化合物，即金屬間化合物，當(dāng)合金熔化和鑄造的時(shí)候，該化合物才在合金內(nèi)部形成。這種金屬間化合物只有在華氏2000度以上才融化。Rios指出，鋁鈰合金的耐熱性應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)上是非常有吸引力的。試驗(yàn)表明，新型合金在300攝氏度（572華氏度）時(shí)會(huì)保持穩(wěn)定狀態(tài)，而傳統(tǒng)合金在這一溫度開始崩解。此外，金屬間化合物的穩(wěn)定性有時(shí)可以免除鋁合金通常需要的熱處理工序。鋁鈰合金通過提高運(yùn)行溫度來直接提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率，也可以通過用輕型鋁基組件或用鋁合金來替代鑄鐵部件從而減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量來間接提高燃油效率，如氣缸體、變速箱和氣缸蓋。
這個(gè)團(tuán)隊(duì)在傳統(tǒng)的砂模中鑄造了原型飛機(jī)的汽缸蓋；也在3D打印的砂模中為一個(gè)化石燃料驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)鑄造了全功能汽缸蓋。橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室美國(guó)交通運(yùn)輸研究中心這一史無前例的示范引導(dǎo)一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)獲得了成功，即證明了這種發(fā)動(dòng)機(jī)能進(jìn)行溫度超過600攝氏度的排氣。
橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家Zachary Sims介紹說：“3D打印的模型通常很難被填充滿，但有著卓越鑄造特性的鋁鈰合金是個(gè)例外。”
