Твердофазное производство превращает алюминиевые отходы в высококачественные сплавы

Согласно исследованию, проведенному учеными из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики, металлолом можно напрямую преобразовывать и модернизировать в высокопроизводительные, ценные сплавы без необходимости использования традиционных процессов плавки.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications , демонстрирует, что алюминиевый лом из промышленных отходов может использоваться для производства высокопроизводительных металлических сплавов.

Переработанный алюминий по своим свойствам не уступает идентичным материалам, полученным из первичного алюминия, что свидетельствует о том, что такой подход может стать недорогим способом вывода на рынок большего количества высококачественной продукции из переработанного металла.

Новый метод, называемый твердофазным легированием, преобразуя отходы в высокопроизводительные алюминиевые изделия, не только улучшает свойства материала , но и способствует экологической устойчивости.

«Новаторство нашей работы здесь заключается в том, что, добавляя точное количество металлических элементов в смесь с алюминиевой стружкой в ​​качестве прекурсора, вы фактически можете превратить ее из дешевых отходов в дорогостоящий продукт», — сказал Сяо Ли, ученый-материаловед PNNL и ведущий автор исследования. «Мы делаем это всего за один шаг, где все сплавляется за пять минут или меньше».

Инновационный процесс твердофазного легирования превращает алюминиевый лом, смешанный с медью, цинком и магнием, в точно спроектированный высокопрочный продукт из алюминиевого сплава за считанные минуты, в то время как для производства того же продукта с использованием традиционной плавки, литья и экструзии требуются дни.

Исследовательская группа использовала запатентованную PNNL технологию под названием Shear Assisted Processing and Extrusion (ShAPE ) для достижения своих результатов. Однако исследователи отметили, что результаты должны быть воспроизводимы с другими процессами твердофазного производства.

В процессе ShAPE высокоскоростная вращающаяся матрица создает трение и тепло, которые рассеивают кусковые исходные ингредиенты в однородный сплав с теми же характеристиками, что и недавно изготовленное изделие из деформированного алюминия.

Твердофазный подход устраняет необходимость в энергоемкой объемной плавке, что в сочетании с недорогим сырьем, получаемым из лома, может резко снизить стоимость производства этих материалов. Для потребителей это означает, что переработанные алюминиевые изделия будут иметь более длительный срок службы и лучшую производительность при более низкой стоимости, независимо от того, являются ли они частью транспортного средства, строительным материалом или бытовым прибором.

Металлический сплав, прочный до мозга костей

Научная группа использовала как механические испытания, так и передовые изображения для изучения внутренней структуры переработанных материалов, полученных методом твердофазного легирования. Их результаты показали, что переработанный сплав ShAPE придает уникальную наноструктуру на атомном уровне . Во время ShAPE внутри сплава образуются особенности атомного масштаба, называемые зонами Гинье-Престона.

Эти особенности, как известно, повышают прочность металлических сплавов. По сравнению с обычным переработанным алюминием, переработанный сплав на 200% прочнее и имеет повышенную прочность на разрыв. Эти характеристики могут привести к более долговечным и более производительным продуктам для потребителей.

«Наша способность перерабатывать лом впечатляет, но больше всего меня воодушевляет в этом исследовании то, что твердофазное легирование не ограничивается только алюминиевыми сплавами и бросовым сырьем», — сказала Синди Пауэлл, главный специалист по науке и технологиям в области энергетики и окружающей среды в PNNL и соавтор этого исследования.

«Твердофазное легирование теоретически применимо к любой комбинации металлов, которую вы можете себе представить, и тот факт, что производство происходит полностью в твердом состоянии, означает, что вы можете начать рассматривать совершенно новые сплавы, которые мы не могли производить раньше».

Процесс твердофазного легирования может быть использован для создания специальных сплавов металлической проволоки для различных технологий 3D-печати, сказал Ли. Например, аддитивное производство с использованием дуговой сварки, или «WAAM», используется для 3D-печати или ремонта металлических деталей. В этом процессе рулон проволоки подается в роботизированную сварочную горелку, которая расплавляет ее для создания 3D-деталей.

«Трудно получить питающие провода с индивидуальным составом для аддитивного производства на основе проволоки», — сказал Ли. «Твердофазное легирование — это фантастический способ производить индивидуальные сплавы с точными составами, например, 2% меди или 5% меди».

Источник: https://techxplore.com/news/2024-12-scrap-strength-solid-phase-aluminum.html