2016年6月6日
来自美国能源部的一组研究人员橡树岭国家实验室与位于威斯康星州的Eck Industries和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）合作，生产出比现有产品更容易加工、耐热性更好的铝合金。
这些是从熔炉中倒入钢包中的合金金属，用于填充模具。（图片来源：俄勒冈州扎卡里·西姆斯）
另一个关键方面是，这种合金含有铈，有可能增加美国的稀土元素产量。
来自ORNL的Zach Sims、Michael McGuire和Orlando Rios，以及来自衣阿华州Eck、LLNL和Ames实验室的同事，在《矿物、金属和材料学会》的一份出版物JOM上发表的一篇文章中讨论了铝-铈合金的经济和技术可能性。亚博网站下载
该团队是关键材料研究所的一部分，该研究所是美国能源部(DOE)开发的能源创新中心，由能源部先进制亚博网站下载造办公室管理。该研究所位于艾姆斯，旨在提高对美国能源安全至关重要的稀土金属和其他材料的可用性亚博网站下载
稀土是替代能源、电子和其他先进技术的关键元素。例如，最新的混合动力汽车和风车依赖于由稀土元素镝和钕组成的强大永磁体。然而，到目前为止，北美还没有生产。
一个问题是，铈占了几种稀土矿石(包括在美国发现的矿石)稀土含量的一半。稀土生产商一直很难找到一个市场来出售所有开采出来的铈。在美国最常见的稀土矿石中，铈的含量是镝的500倍，而铈的含量是钕的3倍。
铝铈合金有潜力通过增加需求，并最终提高铈的价值来改善国内稀土开采。
我们有这些能源技术所需的稀土，但当你去提取稀土时，大部分是铈和镧，它们的大量用途有限。
奥兰多·里奥斯
例如，如果这种新合金被用于内燃机，它们可以迅速将铈从稀土开采过程中产生的一种有问题的副产品转化为一种重要的产品。
里奥斯解释说:“铝行业规模巨大。“汽车工业中使用了大量铝，所以即使是非常小的一个装置进入这个市场，也会使用大量的铈。”他补充称，如果铝合金市场的渗透率达到1%，则意味着铈的供应量将达到约3,000吨。
Rios表示，与现有铝合金相比，由铝铈合金组成的部件具有许多优点，包括高铸造性、低成本、减少热处理需求和出色的高温稳定性。
大多数性能优异的合金都较难铸造。但铝铈体系与铝硅合金具有相同的铸造特性。
David Weiss，Eck Industries负责工程和研发的副总裁
这种合金的高温性能可能是由于一种特殊的铝铈化合物，或金属间化合物，在合金熔化和铸造时形成。然而，这种金属间化合物只有在超过2000°F的温度下才会熔化。
Rios观察到，铝铈合金的耐热特性使得其在内燃机上的应用极具吸引力。
测试表明，这种新合金在300℃(572℉)的温度下是稳定的，在这个温度下，传统合金开始分解。此外，这种金属间化合物的稳定性有时使铝合金不需要进行热处理。
这些铝铈合金可以让发动机通过加热直接提高燃料效率。它们还可能间接优化燃油效率，从而引领使用小型铝基部件或使用铝合金替代铸铁部件(如变速箱、缸体和缸盖)的轻型发动机的发展。
研究人员已经开始用传统的砂型铸造飞机气缸盖的原型。他们还用3D打印砂模铸造了一个完全可操作的化石燃料发电机气缸盖。这幅独特的插图为在ORNL国家交通研究中心进行的胜利发动机试验铺平了道路。发动机能够承受超过600°C的排气温度。
三维打印模具通常很难填充，但铝-铈合金由于其优异的铸造性能，可以完全填充模具。
橡树岭国家实验室的物理学家扎卡里·西姆斯
这些合金是由ORNL和Eck工业的团队发明的。Eck Industries的同事参与了铝铸件的研究，LLNL的研究人员借助同步辐射源X射线计算机断层扫描技术对铝铈铸件进行了测试。