由橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL，隸屬于美國能源部）研究人員開發(fā)的新型結(jié)構(gòu)合金RidgeAlloy制造的汽車零部件。（來源：ORNL，美國能源部）

美國能源部旗下的橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）研發(fā)出一種名為RidgeAlloy的新型再生鋁合金。該合金通過對(duì)消費(fèi)后的廢舊鋁進(jìn)行重熔，并重新鑄造成一種符合結(jié)構(gòu)車輛零部件強(qiáng)度、延展性和耐撞性標(biāo)準(zhǔn)的材料。這一創(chuàng)新成果預(yù)計(jì)將推動(dòng)低價(jià)值廢舊鋁轉(zhuǎn)化為高價(jià)值的國內(nèi)供應(yīng)鏈，用于制造新型結(jié)構(gòu)汽車零部件。

ORNL輕金屬核心項(xiàng)目主任艾倫·海恩斯（Allen Haynes）表示：“我們團(tuán)隊(duì)僅用15個(gè)月時(shí)間，就將這種新型合金從紙面概念轉(zhuǎn)化為全尺寸零部件的實(shí)證。在復(fù)雜結(jié)構(gòu)合金研發(fā)領(lǐng)域，這樣的創(chuàng)新速度是前所未有的。”

汽車鋁廢料回收利用

2015年，福特汽車推出了以鋁為主要材質(zhì)的 F-150 卡車系列，使其成為美國市場上首款大規(guī)模量產(chǎn)的鋁制車身汽車。此后，眾多轎車與卡車在設(shè)計(jì)中開始采用鋁。據(jù)預(yù)測，到21世紀(jì)30年代初，這些車輛中的大部分將達(dá)到使用壽命終點(diǎn)，屆時(shí)北美地區(qū)每年產(chǎn)生的高品質(zhì)汽車車身鋁板廢料將高達(dá)35萬噸。

幸運(yùn)的是，美國擁有全球頂尖的車輛拆解與鋁廢料回收基礎(chǔ)設(shè)施。然而，在車輛拆解和粉碎過程中，鋁往往會(huì)與鐵等其他金屬及材料混合。這類混合廢料純度較低，無法安全用于制造新型關(guān)鍵汽車零部件，通常只能降級(jí)加工為低等級(jí)鑄件，這不僅限制了其價(jià)值，還導(dǎo)致部分廢料直接出口，錯(cuò)失了將這些資源用作國內(nèi)高質(zhì)量鋁源的機(jī)會(huì)。

ORNL耦合物理計(jì)算團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人亞歷克斯·普洛特科夫斯基（Alex Plotkowski）指出：“我們可以將消費(fèi)后鋁廢料重新加工用于非結(jié)構(gòu)件，如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體。但這類再生鋁不具備高價(jià)值、結(jié)構(gòu)安全的車身應(yīng)用所需的性能。”

RidgeAlloy的研發(fā)歷程

為解決這一問題，ORNL散裂中子源（美國能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施）的團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用了世界一流的科學(xué)工具：如涉及超過200萬次計(jì)算的高通量計(jì)算，以及材料表征和中子衍射，來預(yù)測具有目標(biāo)性能的最佳合金成分。這些工具幫助研究人員了解了特定雜質(zhì)如何影響合金性能。中子因其獨(dú)特的穿透性，可以深入穿透致密金屬而不損壞材料，使科學(xué)家能夠清晰觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原子級(jí)變化。

在通過快速計(jì)算預(yù)測和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)確定理想成分后，研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)際場景中對(duì)這種新型合金進(jìn)行了測試。伊利諾伊州芝加哥的Trialco Aluminum公司提供了由混合汽車車身板廢料鑄造并符合RidgeAlloy規(guī)格的再生鋁錠。隨后，這些鋁錠被運(yùn)往密歇根州的Falcon Lakeside Manufacturing公司，在那里成功使用高壓壓鑄工藝將其鑄造成汽車零部件。

普洛特科夫斯基表示：“我們選擇的零部件尺寸中等且復(fù)雜度適中。最終目標(biāo)是能夠鑄造更大尺寸的零部件，甚至可能是汽車巨型鑄件，但這是第一步。”

測試結(jié)果顯示，由鋁、鎂、硅、鐵和錳組成的RidgeAlloy合金，即使由含鐵和硅量較高的再生鋁混合料制成，仍具備汽車結(jié)構(gòu)鑄件所需的綜合性能。該合金兼具強(qiáng)度、耐腐蝕性與延展性，能夠利用消費(fèi)后鋁廢料生產(chǎn)底盤、框架組件和其他關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)鑄件。

技術(shù)突破帶來的積極影響

這一技術(shù)突破為北美汽車車身鋁板廢料的合理估值提供了可能，未來這些廢料可通過分類回收，重新用于新型汽車車身鋁板制造。預(yù)計(jì)到 21 世紀(jì) 30 年代初，RidgeAlloy 合金有望推動(dòng)再生鋁結(jié)構(gòu)鑄件的產(chǎn)量達(dá)到美國年度原生鋁產(chǎn)量的一半。這將大幅降低能源消耗、削減成本，并強(qiáng)化本土供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性。

海恩斯表示：“RidgeAlloy提供了首個(gè)能夠回收即將到來且規(guī)模龐大的國內(nèi)高質(zhì)量再生汽車鋁板合金價(jià)值的技術(shù)。這是我們團(tuán)隊(duì)所期望的供應(yīng)鏈重大影響。”

參與此次橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的成員包括Alex Plotkowski、Amit Shyam、Allen Haynes、Sunyong Kwon、Ying Yang、Sumit Bahl、Nick Richter、Severine Cambier、Alice Perrin和Gerry Knapp。這項(xiàng)研究得到了美國能源部能源效率和可再生能源辦公室的支持，并在車輛技術(shù)辦公室輕質(zhì)金屬核心項(xiàng)目下開發(fā)。

本文英文版來自輕金屬時(shí)代，由《壓鑄周刊》整理編譯