新型鋁合金更耐熱 還可讓鈰變廢為寶

材料牛註：美國能源部橡樹嶺國家實驗室的研究人員與合作夥伴勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、威斯康星州的Eck工業公司合作開發了一種新型鋁合金，比現有產品實用性好且更耐高溫。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量。

橡樹嶺國家實驗室的科學家Zach Sims、Michael McGuire 和Orlando Rios與來自Eck工業公司、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、愛荷華州的埃姆斯實驗室的同事們在一篇文章中探討了鋁鈰合金的技術和經濟可行性，該論文發表在礦物、金屬和材料協會的出版物JOM上。

稀土是一組對電子器件、可替代能源和其他現代技術非常重要的元素。例如，現代的風力發電和混合動力汽車對由稀土元素釹和鏑製造的強大的永磁鐵非常依賴。然而，在現在的北美並沒有進行稀土的生產。其中一個問題是，包括美國的稀土礦在內，鈰含量高達稀土含量一半以上，但是稀土生產商很難找到鈰礦市場。事實上，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國內稀土礦開採，並最終提高鈰的價值。Rios解釋道，我們有足夠的稀土來滿足能源技術的需要，但當你提煉稀土時，得到的大部分元素是鈰和鑭，限制了稀土的大規模使用。例如，如果在內燃機上用到鋁鈰合金，這樣可以迅速將鈰從一個糟糕的副產品轉換為一個有價值的產品。

Rios解釋說：「鋁產業是巨大的，汽車產業中使用了大量的鋁，所以對於鋁鈰合金即使是一個非常小的突破，將導致市場使用大量的鈰元素。事實上，市場上1%的鋁合金中加入鈰，市場將產生3000t的鈰需求量。

Rios表示，與傳統的鋁合金相比，鋁鈰合金具有成本低，可鑄造性高，熱處理需求低和高溫穩定性好。Eck工業公司工程研究和開發的副總裁David Weiss表示：「大多數具有卓越性能的合金很難澆鑄，但鋁鈰合金具備優異的性能，且其鑄造特性與鋁硅合金相差無幾。」

合金的高溫性能的關鍵是形成一種特殊的鋁-鈰化合物，即金屬間化合物，當合金熔化和鑄造的時候，該化合物才在合金內部形成。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用在內燃機上是非常有吸引力的。試驗表明，新型合金在300攝氏度（572華氏度）時會保持穩定狀態，而傳統合金在這一溫度開始崩解。此外，金屬間化合物的穩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行溫度來直接提高發動機燃油效率，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動機的重量來間接提高燃油效率，如氣缸體、變速箱和氣缸蓋。

這個團隊在傳統的砂模中鑄造了原型飛機的汽缸蓋；也在3D列印的砂模中為一個化石燃料驅動的發電機鑄造了全功能汽缸蓋。橡樹嶺國家實驗室美國交通運輸研究中心這一史無前例的示範引導一個發動機試驗獲得了成功，即證明了這種發動機能進行溫度超過600攝氏度的排氣。

橡樹嶺國家實驗室的物理學家Zachary Sims介紹說：「3D列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。」

論文地址：Cerium-Based, Intermetallic-Strengthened Aluminum Casting Alloy: High-Volume Co-product Development

本文參考：New alloy promises to boost rare earth production while improving energy efficiency of engines

本文由編輯部王宇提供素材，劉萬春翻譯，李銳審核。

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