新型鋁合金助力美國汽車產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新升級

未來十年內(nèi)，將有一波鋁汽車車身廢料進入回收系統(tǒng)。這些廢料通常含雜質(zhì)過多，無法安全地重復(fù)用于新的關(guān)鍵汽車零部件，從而限制了其價值。這得益于能源部（DOE）橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的一組研究人員，他們開發(fā)了一種創(chuàng)新的新鋁合金，稱為RidgeAlloy，能夠?qū)⒌蛢r值廢料轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃煨陆Y(jié)構(gòu)汽車零部件的高價值的國內(nèi)供應(yīng)鏈。

DOE的關(guān)鍵材料清單中列出了鋁，因為它對能源技術(shù)至關(guān)重要，包括那些生產(chǎn)、傳輸、儲存和節(jié)約能源的技術(shù)。

RidgeAlloy是通過重新熔化消費后鋁廢料并將其重新鑄造成符合結(jié)構(gòu)車輛部件強度、延展性和抗撞擊標準的材料而生產(chǎn)的。作為全球鋁合金材料研究的領(lǐng)導(dǎo)者，ORNL開發(fā)了一種針對性的設(shè)計方法，以加速創(chuàng)新。

“團隊在僅僅15個月內(nèi)就從紙面概念推進到成功的全規(guī)模新合金部件演示，”O(jiān)RNL輕金屬核心項目主任艾倫·海恩斯（Allen Haynes）說。“這是開發(fā)復(fù)雜結(jié)構(gòu)合金前所未有的創(chuàng)新速度。”

汽車廢鋁再利用的挑戰(zhàn)

鋁材密集型汽車大約在2015年進入美國市場，福特的F-150卡車系列是首批大規(guī)模生產(chǎn)的鋁車。到2030年代初，預(yù)計許多這些車輛將達到使用壽命，產(chǎn)生高達35萬噸的高質(zhì)量鋁車身板廢料。預(yù)計這些廢料大部分將被降級為低等級鑄件或出口，這樣就錯失了將這些資源轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量國內(nèi)鋁源的機會。

“你可以把消費后的鋁材再利用成一些非結(jié)構(gòu)性物品，比如發(fā)動機缸體，”O(jiān)RNL計算耦合物理組組長亞歷克斯·普洛特科夫斯基說。“但它不具備用于更高價值、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的車身應(yīng)用所需的性能?！?/p>

這是因為汽車粉碎過程中會引入來自各種部件的雜質(zhì)，比如鐵和鉚釘?shù)染o固件。這使得廢料的化學(xué)成分變得不可預(yù)測，且性能低下，無法用于商業(yè)汽車結(jié)構(gòu)合金。因此，大多數(shù)輕量化部件仍然使用原鋁制造，而原鋁是通過能耗巨大的工藝從礦石中提取的。

將廢料轉(zhuǎn)變?yōu)閲鴥?nèi)供應(yīng)鏈

雖然原鋁大多依賴進口，但美國擁有全球最先進的汽車粉碎和鋁廢料回收基礎(chǔ)設(shè)施。

“使用再熔鑄的廢料代替原鋁預(yù)計將使加工零件所需的能量減少多達95%，”O(jiān)RNL合金行為與設(shè)計組的負責(zé)人阿米特·夏姆（Amit Shyam）說。

為了實現(xiàn)這一目標，團隊應(yīng)用了世界級的科學(xué)工具，如高通量計算，這需要進行超過兩百萬次計算，以預(yù)測最佳合金成分，從而達到預(yù)期特性，以及在ORNL的脈沖中子源（DOE科學(xué)辦公室用戶設(shè)施）進行材料表征和中子衍射。

這些工具幫助研究人員理解特定雜質(zhì)如何影響合金行為。中子非常適合這種研究，因為它們可以深入到密集金屬中而不損壞材料，使科學(xué)家能夠觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原子級變化。

在通過快速計算預(yù)測和實驗室試驗確定所需的合金配比后，新合金在實際環(huán)境中進行了測試。芝加哥的PSW集團Trialco鋁業(yè)提供了回收鋁錠，這些金屬塊準備再熔化，由混合汽車車身薄板廢料鑄造，并根據(jù)RidgeAlloy的規(guī)格進行定制。這些鑄錠運送到密歇根州的Falcon Lakeside Manufacturing，在那里成功使用高壓壓鑄工藝鑄造成汽車零件。

“我們選擇的部件是中等大小且復(fù)雜度適中的，”Plotkowski說。“最終目標是能夠鑄造更大的部件，甚至可能是汽車的超大鑄件，但這是第一步。”

鑄造的部件證實了RidgeAlloy的組成成分，包括鋁、鎂、硅、鐵和錳，具備了結(jié)構(gòu)性車輛鑄件所需的屬性組合，即使是由鐵和硅含量較高的回收混合物制成的。它提供了強度、耐腐蝕性和延展性，使得能夠從消費后鋁廢料中生產(chǎn)底盤、框架組件及其他關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)鑄件。這一進展為重新塑造北美汽車車身板廢料的分類和再利用的價值體系提供了機會。

從國家實驗室到現(xiàn)實世界的影響

“這個團隊找到了充分利用國家實驗室世界一流能力的方法，以快速填補我們對輕量化汽車材料理解中的巨大空白，”Haynes說。

到2030年代初，RidgeAlloy可能使回收的結(jié)構(gòu)鑄件的產(chǎn)量將達到美國年初級鋁生產(chǎn)量的至少一半。這將減少能源消耗，降低成本，并增強國內(nèi)供應(yīng)鏈。

“RidgeAlloy 提供了第一項技術(shù)，能夠重新獲取即將到來且歷史上規(guī)模龐大的國內(nèi)高質(zhì)量回收汽車鋁合金板材的價值，”海恩斯說?！斑@就是我們團隊所追求的整體供應(yīng)鏈影響?！?/p>

未來在工業(yè)機械、農(nóng)業(yè)設(shè)備、航空航天、移動發(fā)電設(shè)備，以及越野車輛（如雪地摩托車、摩托車）和海洋車輛（包括水上摩托）等方面也有潛在應(yīng)用。

項目團隊包括亞歷克斯·普洛特科夫斯基、阿米特·夏姆、艾倫·海恩斯、權(quán)順勇、楊穎、蘇米特·巴爾、尼克·里希特、塞維琳·坎比爾、愛麗絲·佩林等。