Учёные ORNL разработали RidgeAlloy — новый алюминиевый сплав, который превращает нечистые отходы кузова в прочные конструктивные материалы. Фото: Shutterstock
Новый сплав может превратить завтрашний металлолом автомобилей в новое преимущество Америки в производстве.
Ожидается, что в течение следующих десяти лет через системы переработки пройдет большой приток алюминиевого металлолома. Большая часть этого материала содержит слишком много примесей, чтобы их безопасно использовать в высокопроизводительных автомобильных компонентах, что значительно снижает его стоимость.
Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) Министерства энергетики США (DOE) теперь разработали решение: новый алюминиевый сплав, известный как RidgeAlloy. Этот сплав позволяет превращать низкосортный металлолом в материал, подходящий для производства прочных и надёжных деталей конструкционных транспортных средств, создавая ценную внутреннюю цепочку поставок.
Алюминий включён в список критически важных материалов DOE, поскольку он играет ключевую роль в технологиях, которые генерируют, транспортируют, хранят и сохраняют энергию.
RidgeAlloy создаётся путём переплавки послепотребительского алюминиевого отлома и переливания его в формулу, соответствующую отраслевым стандартам по прочности, пластичности и аварийным характеристикам. Долгосрочное лидерство ORNL в исследованиях алюминиевых сплавов позволило команде использовать целенаправленную стратегию проектирования, что ускорило разработку.
«Команда прошла путь от бумажной концепции к успешной, полномасштабной демонстрации нового сплава всего за 15 месяцев», — сказал Аллен Хейнс, директор программы Light Metals Core в ORNL. «Это неслыханный темп инноваций в разработке сложных конструктивных сплавов.»
Проблема повторного использования автомобильного металлолома алюминия
Автомобили с тяжёлым алюминием начали появляться на рынке США примерно в 2015 году, при этом F-150 от Ford стал одним из первых, кто стал широко производимся. К началу 2030-х годов многие из этих автомобилей достигнут конца срока службы, производя до 350 000 тонн алюминиевого металлолома в Северной Америке ежегодно. Вместо возврата в виде материала высокой ценности, большая часть этого металлолома ожидается понижена в низкосортные отливки или отправлена за границу, что означает упущенную возможность для внутреннего производства.
«Вы можете использовать алюминий после потребления во что-то неконструктивное, например, двигательные блоки», — сказал Алекс Плотковски, руководитель группы ORNL по вычислительной связанной физике. «Но у него не будет свойств, необходимых для более ценных, структурно надёжных корпусов.»
Автозапчасти из RidgeAlloy
Основная проблема — загрязнение. В процессе измельчения лом набирает примеси, такие как железо, из крепежей и смешанных компонентов, создавая непредсказуемые и слабые химические компоненты, неподходящие для коммерческих конструктивных сплавов. В результате большинство высокопрочных автомобилей по-прежнему используют первичный алюминий, который требует необработанных руд и высокоэнергоемкого процесса производства.
Превращение металлолома в внутреннюю цепочку поставок
Хотя первичный алюминий в основном импортируется, в США есть одна из лучших в мире инфраструктуры для дробления автомобилей и переработки алюминиевого металлолома.
«Использование переплавленного металлолома вместо первичного алюминия, по оценкам, приведёт к снижению энергии, необходимой для обработки детали, до 95%», — сказал Амит Шьям, руководитель группы по поведению и проектированию сплавов ORNL.
Для реализации этого команда применила мирового уровня научные инструменты, такие как высокопроизводительные вычисления, которые включали более двух миллионов расчётов для прогнозирования оптимального состава сплавов с целевыми свойствами, а также характеристику материалов и нейтронную дифракцию на объекте ORNL Spallation Neutron Source, пользовательском комплексе Офиса науки DOE. Эти инструменты помогли исследователям понять, как конкретные примеси влияют на поведение сплава. Нейтроны уникально подходят для такого рода исследований, поскольку они могут проникать глубоко в плотные металлы, не повреждая материал, что позволяет учёным наблюдать внутренние структуры и атомные изменения.
После точного определения желаемой смеси с помощью быстрых вычислительных прогнозов и лабораторных испытаний новый сплав был протестирован в реальной среде. Компания Trialco Aluminum группы PSW в Чикаго поставляла переработанные алюминиевые слитки — металлические блоки, готовые к переплавке, отлитые из смешанных металлоломов автомобилей и изготовленные по спецификациям RidgeAlloy. Слитки были отправлены в Falcon Lakeside Manufacturing в Мичигане, где их успешно отливали в автомобильные детали с помощью высоконапорного литья.
«Выбранная нам часть была среднего размера и умеренно сложной», — сказал Плотковски. «Конечная цель — в конечном итоге отлить более крупные детали, возможно, даже автомобильные гига-отливки, но это первый шаг.»
Литые детали подтвердили, что RidgeAlloy, состоящий из алюминия, магния, кремния, железа и марганца, обладает сочетанием свойств, необходимых для отливки конструкционных транспортных средств, даже если изготовлен из переработанных смесей с высоким содержанием железа и кремния. Он обеспечивает прочность, коррозионную устойчивость и пластичность, что позволяет производить конструктивные отливки из корпуса, компонентов каркаса и других важных деталей из послепотребительского алюминиевого металлолома. Этот прорыв даёт возможность пересмотреть уравнение стоимости сортировки и повторного использования металлолома для кузовов Северной Америки.
От национальной лаборатории к реальному воздействию
«Эта команда нашла, как максимально использовать возможности национальной лаборатории мирового класса, чтобы быстро заполнить огромный пробел в нашем понимании лёгких автомобильных материалов», — сказал Хейнс.
К началу 2030-х годов RidgeAlloy могла позволить производить переработанные структурные отливки в объёмах, равных как минимум половине годового первичного производства алюминия в США. Это позволит сократить энергопотребление, снизить затраты и укрепить внутренние цепочки поставок.
«RidgeAlloy предлагает первую технологию, способную вернуть ценность быстро надвигающейся и исторически масштабной волны отечественных высококачественных переработанных алюминиевых листовых сплавов», — сказал Хейнс. «Это и есть общий масштаб влияния на цепочку поставок, к которому стремилась наша команда.»
Также есть потенциал для будущих применений в промышленной технике, сельскохозяйственной технике, аэрокосмической отрасли, мобильном энергетическом оборудовании, внедорожниках, таких как снегоходы, мотоциклы, а также морские транспортные средства, включая гидроциклы.
Финансирование: Это исследование было поддержано программой Core Программы лёгких металлов Управления энергоэффективности и возобновляемой энергии Министерства транспортных средств Министерства транспортных средств.
RidgeAlloy был разработан в рамках программы Vehicle Technologies Office Lightweight Metals Core Program. В состав команды проекта ORNL входили Алекс Плотковски, Амит Шьям, Аллен Хейнс, Сунёнг Квон, Йинг Янг, Сумит Бахл, Ник Рихтер, Северин Камбье, Элис Перрин и Джерри Кнапп.