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新型鋁合金更耐熱 還可讓鈰變廢為寶

發(fā)布時間:2016-07-04 13:58:57    字體大?。?SPAN id=ntf1 onclick=setFos(1)>小
美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員與合作伙伴勞倫斯利弗莫爾國家實(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)動機(jī),測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,每年對鈰的市場需求亦可達(dá)到3000噸。
  
  橡樹嶺國家實(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、勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室、愛荷華州的埃姆斯實(shí)驗(yàn)室的同事們在一篇文章中探討了鋁鈰合金的技術(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)會的出版物JOM上。
  
  稀土是一組對電子器件、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)電和混合動力汽車對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)。其中一個問題是,包括美國的稀土礦在內(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。事實(shí)上,在美國最常見的稀土礦,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)國內(nèi)稀土礦開采,并最終提高鈰的價值。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糟糕的副產(chǎn)品轉(zhuǎn)換為一個有價值的產(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,所以對于鋁鈰合金即使是一個非常小的突破,將導(dǎo)致市場使用大量的鈰元素。事實(shí)上,市場上1%的鋁合金中加入鈰,市場將產(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?!?br />   
  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)時會保持穩(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化石燃料驅(qū)動的發(fā)電機(jī)鑄造了全功能汽缸蓋。橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室美國交通運(yùn)輸研究中心這一史無前例的示范引導(dǎo)一個發(fā)動機(jī)試驗(yàn)獲得了成功,即證明了這種發(fā)動機(jī)能進(jìn)行溫度超過600攝氏度的排氣。
  
  橡樹嶺國家實(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例外?!?br />
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