Однако что может быть более важным, так это то, что сплавы, содержащие церий, могут дать толчок производству редкоземельных элементов в Соединенных Штатах.Ученые ORNL Зак Симс, Майкл Макгуайр и Орландо Риос вместе с коллегами из Eck, LLNL и Ames Laboratory в Айове обсуждают технические и экономические возможности алюминиево-цериевых сплавов в статье в JOM, публикации Minerals, Metals.
Материалы общества.Команда работает как часть Института критических материалов, центра энергетических инноваций, созданного Министерством энергетики США (DOE) и управляемого из Управления перспективного производства Министерства энергетики США.
Базирующийся в Эймсе институт работает над увеличением доступности редкоземельных металлов и других материалов, критически важных для энергетической безопасности США.Редкоземельные элементы — это группа элементов, имеющих решающее значение для электроники, альтернативной энергетики и других современных технологий.
Например, современные ветряные мельницы и гибридные автомобили полагаются на сильные постоянные магниты, сделанные из редкоземельных элементов, неодима и диспрозия. Однако в настоящее время производство в Северной Америке не ведется.
Одна из проблем заключается в том, что на церий приходится до половины содержания редкоземельных элементов во многих редкоземельных рудах, в том числе в Соединенных Штатах, и производителям редкоземельных элементов было трудно найти рынок для всего добытого церия. Наиболее распространенная в США редкоземельная руда фактически содержит в три раза больше церия, чем неодима, и в 500 раз больше церия, чем диспрозий.
Алюминиево-цериевые сплавы обещают стимулировать отечественную добычу редкоземельных элементов за счет увеличения спроса и, в конечном итоге, стоимости церия.«У нас есть эти редкоземельные элементы, которые нам нужны для энергетических технологий, — сказал Риос, — но когда вы идете на добычу редкоземельных элементов, большинство из них составляют церий и лантан, которые имеют ограниченное использование в больших объемах».Если, например, новые сплавы найдут место в двигателях внутреннего сгорания, они могут быстро превратить церий из неудобного побочного продукта добычи редкоземельных элементов в ценный продукт сам по себе.
«Алюминиевая промышленность огромна», — пояснил Риос. «В автомобильной промышленности используется много алюминия, поэтому даже очень небольшое внедрение на этот рынок потребовало бы огромного количества церия». Он добавил, что проникновение на рынок алюминиевых сплавов на 1% приведет к получению 3000 тонн церия.По словам Риоса, компоненты, изготовленные из алюминиево-цериевых сплавов, обладают рядом преимуществ по сравнению с компонентами, изготовленными из существующих алюминиевых сплавов, в том числе низкой стоимостью, высокой литейной способностью, меньшими требованиями к термообработке и исключительной стабильностью при высоких температурах.«Большинство сплавов с исключительными свойствами труднее лить, — сказал Дэвид Вайс, вице-президент по инжинирингу, исследованиям и разработкам Eck Industries, — но алюминий-цериевая система имеет характеристики литья, эквивалентные алюминиево-кремниевым сплавам».
Ключом к высокотемпературным характеристикам сплавов является особое соединение алюминия и церия, или интерметаллид, который образуется внутри сплавов при их плавлении и литье. Этот интерметаллид плавится только при температуре выше 2000 градусов по Фаренгейту.Такая термостойкость делает алюминиево-цериевые сплавы очень привлекательными для использования в двигателях внутреннего сгорания, отметил Риос.
Испытания показали, что новые сплавы стабильны при температуре 300 градусов по Цельсию (572 градуса по Фаренгейту), температуре, при которой традиционные сплавы начинают распадаться. Кроме того, стабильность этого интерметаллида иногда исключает необходимость термической обработки, обычно необходимой для алюминиевых сплавов.Алюминиево-цериевые сплавы не только позволят двигателям напрямую повысить топливную эффективность за счет более горячей работы, но и косвенно повысить топливную эффективность, открыв путь для более легких двигателей, в которых используются небольшие компоненты на основе алюминия или алюминиевые сплавы для замены компонентов из чугуна, таких как как блоки цилиндров, коробки передач и головки блока цилиндров.
Команда уже отлила прототип головок блока цилиндров самолета в обычных песчаных формах. Команда также отлила полностью функциональную головку блока цилиндров для электрогенератора, работающего на ископаемом топливе, в песчаных формах, напечатанных на 3D-принтере. Эта первая в своем роде демонстрация привела к успешному испытанию двигателя в Национальном транспортном исследовательском центре ORNL. Было показано, что двигатель выдерживает температуру выхлопных газов более 600 градусов по Цельсию.
«Трехмерные печатные формы обычно очень трудно заполнить, — сказал физик ORNL Закари Симс, — но алюминиево-цериевые сплавы могут полностью заполнить форму благодаря своей исключительной литейной способности».Сплавы были изобретены совместно исследователями ORNL и Eck Industries.
Коллеги из Eck Industries внесли свой вклад в процесс литья алюминия, а исследователи из LLNL проанализировали алюминиево-цериевые отливки с помощью рентгеновской компьютерной томографии с синхротронным источником.