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新型铝合金更耐高温 还可让铈变废为宝成稀土
发布日期:2016-07-04     来源:中国有色网     浏览次数:
核心提示:美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员与合作伙伴劳伦斯利弗莫尔国家实验室、威斯康星州的Eck工业公司合作开发了一种新型铝合金,比现有产品实用性好且更耐高温。更为重要的是,这种含有铈的铝合金有可能极大提高美国稀土的产量。

美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员与合作伙伴劳伦斯利弗莫尔国家实验室、威斯康星州的Eck工业公司合作开发了一种新型铝合金,比现有产品实用性好且更耐高温。更为重要的是,这种含有铈的铝合金有可能极大提高美国稀土的产量。

铈是一种稀土元素,可与铝形成金属间化合物,其熔点超过1000摄氏度。铝-铈系合金非常适合用于内燃机发动机,测试表明该系列合金可以在300摄氏度环境下稳定工作。铝-铈合金的可铸性与铝-硅系合金相当,非常易于加工,金属间化合物的稳定性消除了许多热处理环节。研究人员还指出,由于铝合金的广泛应用,铝-铈合金的发现将启动并快速推进铈稀土元素产业的发展,据初步估算,即使按1%的添加量,每年对铈的市场需求亦可达到3000吨。

橡树岭国家实验室的科学家Zach Sims、Michael McGuire 和Orlando Rios与来自Eck工业公司、劳伦斯利弗莫尔国家实验室、爱荷华州的埃姆斯实验室的同事们在一篇文章中探讨了铝铈合金的技术和经济可行性,该论文发表在矿物、金属和材料协会的出版物JOM上。

稀土是一组对电子器件、可替代能源和其他现代技术非常重要的元素。例如,现代的风力发电和混合动力汽车对由稀土元素钕和镝制造的强大的永磁铁非常依赖。然而,在现在的北美并没有进行稀土的生产。其中一个问题是,包括美国的稀土矿在内,铈含量高达稀土含量一半以上,但是稀土生产商很难找到铈矿市场。事实上,在美国最常见的稀土矿,铈的含量是钕含量的3倍以上、镝含量的500倍以上。

铝铈合金有望通过增加需求来促进国内稀土矿开采,并最终提高铈的价值。Rios解释道,我们有足够的稀土来满足能源技术的需要,但当你提炼稀土时,得到的大部分元素是铈和镧,限制了稀土的大规模使用。例如,如果在内燃机上用到铝铈合金,这样可以迅速将铈从一个糟糕的副产品转换为一个有价值的产品。

Rios解释说:“铝产业是巨大的,汽车产业中使用了大量的铝,所以对于铝铈合金即使是一个非常小的突破,将导致市场使用大量的铈元素。事实上,市场上1%的铝合金中加入铈,市场将产生3000t的铈需求量。

Rios表示,与传统的铝合金相比,铝铈合金具有成本低,可铸造性高,热处理需求低和高温稳定性好。Eck工业公司工程研究和开发的副总裁David Weiss表示:”大多数具有卓越性能的合金很难浇铸,但铝铈合金具备优异的性能,且其铸造特性与铝硅合金相差无几。“

合金的高温性能的关键是形成一种特殊的铝-铈化合物,即金属间化合物,当合金熔化和铸造的时候,该化合物才在合金内部形成。这种金属间化合物只有在华氏2000度以上才融化。Rios指出,铝铈合金的耐热性应用在内燃机上是非常有吸引力的。试验表明,新型合金在300摄氏度(572华氏度)时会保持稳定状态,而传统合金在这一温度开始崩解。此外,金属间化合物的稳定性有时可以免除铝合金通常需要的热处理工序。铝铈合金通过提高运行温度来直接提高发动机燃油效率,也可以通过用轻型铝基组件或用铝合金来替代铸铁部件从而减轻发动机的重量来间接提高燃油效率,如气缸体、变速箱和气缸盖。

这个团队在传统的砂模中铸造了原型飞机的汽缸盖;也在3D打印的砂模中为一个化石燃料驱动的发电机铸造了全功能汽缸盖。橡树岭国家实验室美国交通运输研究中心这一史无前例的示范引导一个发动机试验获得了成功,即证明了这种发动机能进行温度超过600摄氏度的排气。

橡树岭国家实验室的物理学家Zachary Sims介绍说:“3D打印的模型通常很难被填充满,但有着卓越铸造特性的铝铈合金是个例外。”

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