未來十年，車身面板中產生的大量鋁預計將進入回收和回收系統。目前，大多數材料無法在關鍵汽車零件中重複使用。由於污染，它不太純淨。這種限制降低了它的價值。
美國能源部 (DOE) 橡樹嶺國家實驗室 (ORNL) 的研究人員正在努力改變現狀。該團隊創造了一種名為 RidgeAlloy 的新型鋁合金，將低價值的回收鋁轉化為在美國製造結構汽車零件的可靠材料來源。
鋁出現 DOE 重要材料清單 因為它在多種類型的能源技術中發揮著重要作用，包括用於產生、傳輸、儲存和節約能源的系統。
脊合金 ORNL 研究人員透過熔化廢舊產品中的回收鋁並將其重新鑄造成新合金，旨在滿足車輛結構部件的強度、韌性和碰撞安全需求，ORNL 研究人員開發了一種有針對性的合金設計方法，該方法將有助於加速新材料的開發。
ORNL 輕金屬核心項目總監 Allen Haynes 表示：“團隊在短短 15 個月內就從紙面概念發展到新型合金零件的全面演示。” “這是結構複雜合金開發中前所未有的創新。”
再生汽車鋁面臨的日益嚴峻的挑戰
2015 年左右，鋁密集型車輛開始出現在美國市場，其中包括福特 F-150 卡車，它是首批採用鋁的車型之一。預計到 2030 年代初，許多此類車輛將達到其使用壽命。北美地區的回收系統每年可處理多達 35 萬噸廢鋁板。
這種材料的大部分可用於較低價值的鑄造產品或出口到海外。這意味著錯失了重新引入這種金屬作為優質國內鋁源的機會。
“你可以將消費後的鋁變成非結構性的東西，比如氣缸體，”橡樹嶺國家實驗室計算耦合物理小組負責人 Alex Plotkowski 說，“但它不具備更高價值、結構更堅固的車身應用所需的特性。”
主要挑戰來自車輛粉碎過程中發生的污染。鉚釘和其他緊固件等零件中的少量鋼材混入回收金屬中，這些雜質使化學成分變得不可預測，並降低了效率。這使得該材料不符合汽車結構合金所需的嚴格標準。
因此，大多數輕質汽車零件仍然由開採礦石中生產的原鋁製成。這樣的過程需要大量的能量。
將廢鋁變成國內資源。
儘管美國大部分原鋁進口，但該國擁有發達的鋁廢料粉碎和回收網絡。
ORNL 合金行為和設計小組負責人 Amit Shyam 表示：“使用重熔廢鋼代替原鋁，預計零件加工所需的能源將減少 95%。”
為了創造 RidgeAlloy，研究人員使用先進的科學工具來設計合金的成分。高通量計算用於執行超過兩百萬次計算，以預測哪些元素組合將提供所需的機械性能。該團隊還在橡樹嶺國家實驗室的裂變中子源（美國能源部科學用戶設施辦公室）進行了詳細的材料分析和中子衍射實驗。
這些實驗幫助科學家了解各種雜質如何影響合金的性能？中子對於研究金屬特別有用，因為它們可以穿過緻密材料而不造成損壞。這使得研究人員能夠在原子層面上觀察內部結構和變化。
從電腦模型到真實的車輛零件
在通過模擬和實驗室測試確定最合適的合金配方後，研究人員在實際生產條件下評估了 RidgeAlloy。
PSW 集團位於芝加哥的 Trialco Aluminium 公司生產由複合廢棄車身板製成的再生鋁錠，這些鋁錠與 RidgeAlloy 的設計相匹配。然後，這些鑄錠被送到密西根州的 Falcon Lakeside Manufacturing，在那裡將它們熔化並使用高壓鑄造鑄造成汽車零件。
「我們選擇的部分是中等規模且相當複雜，」普洛特科夫斯基說。 “最終目標是最終鑄造更大的零件。甚至是大型汽車鑄件。但這只是第一步。”
測試證實 RidgeAlloy 含有汽車結構鑄件所需的鋁、鎂、矽、鐵和錳。儘管回收金屬含有較高含量的鐵和矽，但情況仍然如此。這種材料提供強度。車輛底盤等要求嚴苛的應用所需的耐腐蝕性和韌性。車架部件及其他重要結構件
這種能力可以顯著改變整個北美地區汽車鋁廢料的分類、估價和再利用方式。
將影響擴展到實驗室之外
「這個團隊找到了一種方法，可以利用國家實驗室的世界級能力來快速填補我們對輕量汽車材料理解的巨大空白，」海恩斯說。
到 2030 年代初期，RidgeAlloy 可以實現再生結構鋁鑄造，其產量至少相當於美國目前原鋁年產量的一半。這種變化可以減少能源消耗。降低生產成本，強化國內供應鏈。
Haynes 表示：“RidgeAlloy 提供了首項技術，能夠快速、大規模地為即將到來的國產汽車重新獲得高品質再生鋁合金板的價值。” “這對我們團隊來說是整個供應鏈的影響。”
這項技術也可能應用於乘用車以外的領域。可能的應用包括工業設備。農業機械 航空航天系統 移動發電設備 雪地摩托車和摩托車等越野車輛以及水上摩托車等船舶車輛
ORNL 研究團隊包括 Alex Plotkowski、Amit Shyam、Allen Haynes、Sunyong Kwon、Ying Yang、Sumit Bahl、Nick Richter、Severine Cambier、Alice Perrin 和 Gerry Knapp。該計畫得到能源部能源效率和再生能源辦公室、車輛技術辦公室輕質金屬核心計畫的支持。
