在未來十年中，預計車身面板中產生的大量鋁將進入回收和回收系統。如今，大部分這種材料無法在關鍵的汽車零件中重複使用，因為污染使其變得過於不純淨。這種限制降低了它的價值。
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變為美國製造結構汽車零件的可靠材料來源。
鋁之所以出現在美國能源部的關鍵材料清單上，是因為它在許多能源技術中發揮重要作用，包括用於產生、傳輸、儲存和節省能源的系統。
RidgeAlloy 透過重熔廢舊產品中的再生鋁並將其重新鑄造成新合金製成，旨在滿足車輛結構部件的強度、延展性和耐撞性要求。橡樹嶺國家實驗室的研究人員開發了一種合金設計方法，可加速新材料的開發。
ORNL 輕金屬核心項目主任艾倫·海恩斯 (Allen Haynes) 表示：“該團隊在短短 15 個月內就從紙面概念到成功進行了新合金的全尺寸零件演示。” “開發複雜結構合金的創新步伐是前所未有的。”
回收汽車鋁面臨的日益嚴峻的挑戰
鋁基車輛於 2015 年左右開始出現在美國市場，其中包括福特 F-150 卡車系列，這是首批大量生產的鋁密集型車型之一。其中許多車輛預計將在 2030 年代初期達到使用壽命。當這種情況發生時，北美的回收系統每年可接收 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。這是一個錯失的機會，可以將這種金屬重新用作高品質鋁的來源。
「你可以將消費後的鋁變成非結構性的東西，例如引擎缸體，」橡樹嶺國家實驗室耦合計算物理小組負責人亞歷克斯·普洛特科夫斯基說。 “但它不具備更高價值的車身應用所需的特性。”
主要挑戰來自車輛破碎過程中涉及的污染。鉚釘和其他緊固件等零件中的少量鐵混入回收金屬中。這些雜質使化學成分變得不可預測並降低性能，使材料無法滿足汽車結構合金所需的嚴格標準。
因此，大多數輕型車輛零件仍然由從礦山中提取的原始鋁製成。這個過程需要大量的能量。
將廢鋁變成家庭資源
儘管美國大部分原鋁依賴進口，但該國擁有發達的汽車破碎和廢鋁回收業。
ORNL 合金行為和設計小組負責人 Amit Shyam 表示：“使用重熔廢料代替原鋁預計可將加工零件所需的能源減少 95%。”
為了創造 RidgeAlloy，研究人員使用先進的科學工具來設計合金成分。高效能運算用於執行超過兩百萬次運算，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散裂中子源（美國能源部科學辦公室的用戶設施）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不同的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，使研究人員能夠觀察內部結構和原子尺度的變化。
從電腦模型到實際的汽車零件
在模擬和實驗室測試確定最佳合金配方後，研究人員在實際製造條件下評估了 RidgeAlloy。
PSW 集團位於芝加哥的 Trialco Aluminium 公司生產由汽車車身複合板製成的再生鋁錠，與 RidgeAlloy 設計相匹配。這些鑄錠被送往密西根州的 Falcon Lakeside Manufacturing，在那裡透過高壓壓鑄將其熔化並鑄造成汽車零件。
「我們選擇的部分是中等且相當複雜的，」普洛特科夫斯基說。 “最終目標是鑄造更大的零件，甚至可能是汽車巨型鑄件，但這只是第一步。”
測試證實，RidgeAlloy 含有結構車輛鑄件所需的鋁、鎂、矽、鐵和錳的組合，即使回收金屬含有較高含量的鐵和矽。該材料提供車輛底部、車架構件和其他關鍵結構部件等要求苛刻的應用所需的強度、耐腐蝕性和延展性。
這項能力可能會顯著改變北美汽車鋁廢料的分類、估價和回收方式。
將影響擴展到實驗室之外
海恩斯說：“這個團隊找到瞭如何利用國家實驗室的世界一流能力來快速填補我們對輕量化汽車材料理解的重大空白。”
到 2030 年代初期，RidgeAlloy 的再生結構鋁鑄件產量至少相當於美國原鋁年產量的一半。這項變更可以減少能源消耗、降低製造成本並加強國內供應鏈。
Haynes 表示：“RidgeAlloy 提供了第一項能夠從汽車鋁合金板材中回收高品質再生國內鋁坯價值的技術。” “這就是我們團隊的目標供應鏈的大局。”
該技術也可能在乘用車外找到用途。潛在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包括雪地摩托車在內的海洋車輛。
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。該計畫得到了能源部能源效率和再生能源辦公室、車輛技術辦公室輕金屬核心計畫的支持。
