新型铝合金更耐热 还可让铈变废为宝

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的添加量每年对铈的市场需求亦可达到吨

橡树岭国家实验室的科学家ZachSimsMichaelMcGuire和OrlandoRios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倍以上镝含量的倍以上

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的铝合金中加入铈市场将产生t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DavidWeiss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摄氏度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D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摄氏度的排气

橡树岭国家实验室的物理学家ZacharySims介绍说D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