المواد الجديدة التي تحول الخردة إلى أجزاء عالية الأداء

جديد سبيكة يمكن أن يحول خردة المركبات غدًا إلى ميزة التصنيع التالية لأمريكا.

ومن المتوقع أن ينتقل تدفق كبير من خردة هياكل السيارات المصنوعة من الألومنيوم عبر أنظمة إعادة التدوير على مدى السنوات العشر القادمة. ويحتوي جزء كبير من هذه المادة على الكثير من الشوائب بحيث لا يمكن إعادة استخدامها بأمان في مكونات السيارات عالية الأداء، مما يقلل من قيمتها بشكل كبير.

الباحثون في وزارة الطاقة (DOE) مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL) لقد طورنا الآن حلاً: سبيكة ألومنيوم جديدة تُعرف باسم RidgeAlloy. تسمح هذه السبيكة بتحويل الخردة منخفضة الجودة إلى مادة مناسبة لإنتاج أجزاء هيكلية قوية وموثوقة للمركبات، مما يؤدي إلى إنشاء سلسلة توريد محلية قيمة.

يظهر الألمنيوم على قائمة المواد الهامة لوزارة الطاقة لأنه يلعب دورًا رئيسيًا في التقنيات التي تنتج الطاقة، وتنقلها، وتخزنها، وتحافظ عليها.

RidgeAlloy يتم تصنيعه عن طريق صهر خردة الألومنيوم بعد الاستهلاك وإعادة صياغتها إلى تركيبة تلبي معايير الصناعة من حيث القوة والليونة وأداء التصادم. إن قيادة ORNL الطويلة الأمد في أبحاث سبائك الألومنيوم مكنت الفريق من استخدام استراتيجية تصميم مركزة أدت إلى تسريع عملية التطوير.

وقال ألين هاينز، مدير برنامج المعادن الخفيفة الأساسي في ORNL: “تقدم الفريق من المفهوم الورقي إلى عرض جزئي ناجح وواسع النطاق لسبائك جديدة في 15 شهرًا فقط”. “إنها وتيرة غير مسبوقة من الابتكار في تطوير السبائك الهيكلية المعقدة.”

التحدي المتمثل في إعادة استخدام الألومنيوم الخردة للمركبات

بدأت المركبات المصنوعة من الألمنيوم الثقيل في دخول السوق الأمريكية في عام 2015 تقريبًا، وكانت سيارة فورد F-150 من بين أقدم السيارات التي تم إنتاجها على نطاق واسع. وبحلول أوائل ثلاثينيات القرن الحالي، ستصل العديد من هذه المركبات إلى نهاية عمرها الافتراضي، مما سيولد ما يصل إلى 350 ألف طن من خردة صفائح الألومنيوم كل عام في أمريكا الشمالية. وبدلاً من العودة كمواد عالية القيمة، من المتوقع أن يتم تخفيض تصنيف الكثير من هذه الخردة إلى مصبوبات منخفضة الجودة أو شحنها إلى الخارج، مما يمثل فرصة ضائعة للتصنيع المحلي.

قال Alex Plotkowski، قائد مجموعة ORNL للفيزياء الحاسوبية المزدوجة: “يمكنك إعادة استخدام الألومنيوم بعد الاستهلاك إلى شيء غير هيكلي مثل كتل المحرك”. “لكنها لن تتمتع بالخصائص اللازمة لتطبيقات الجسم ذات القيمة الأعلى والسليمة من الناحية الهيكلية.”

القضية الرئيسية هي التلوث. أثناء عملية التقطيع، تلتقط الخردة الشوائب مثل الحديد من أدوات التثبيت والمكونات المختلطة، مما يؤدي إلى تكوين كيمياء ضعيفة ولا يمكن التنبؤ بها وغير مناسبة للسبائك الهيكلية التجارية. ونتيجة لذلك، تستمر معظم أجزاء المركبات عالية القوة في الاعتماد على الألومنيوم الأولي، الأمر الذي يتطلب خامًا خامًا وعملية إنتاج كثيفة الاستخدام للطاقة.

تحويل الخردة إلى سلسلة توريد محلية

في حين يتم استيراد الألومنيوم الأولي في الغالب، فإن الولايات المتحدة لديها بعض من أفضل البنية التحتية في العالم لتمزيق المركبات واستعادة خردة الألومنيوم.

قال أميت شيام، قائد مجموعة سلوك وتصميم السبائك في ORNL: “من المقدر أن يؤدي استخدام الخردة المعاد صهرها بدلاً من الألومنيوم الأولي إلى تقليل الطاقة اللازمة لمعالجة جزء ما بنسبة تصل إلى 95%”.

ولجعل ذلك ممكنًا، طبق الفريق أدوات علمية ذات مستوى عالمي مثل الحوسبة عالية الإنتاجية، والتي تضمنت أكثر من مليوني عملية حسابية للتنبؤ بتركيبات السبائك المثالية ذات الخصائص المستهدفة، بالإضافة إلى توصيف المواد وحيود النيوترونات في مصدر النيوترونات التشظية التابع لـ ORNL، وهو مرفق مستخدم لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة. ساعدت هذه الأدوات الباحثين على فهم كيفية تأثير شوائب معينة على سلوك السبائك. النيوترونات مناسبة بشكل فريد لهذا النوع من الأبحاث لأنها تستطيع اختراق المعادن الكثيفة دون الإضرار بها، مما يسمح للعلماء بمراقبة الهياكل الداخلية والتغيرات على المستوى الذري.

وبعد تحديد المزيج المطلوب من خلال التنبؤات الحسابية السريعة والتجارب المعملية، تم اختبار السبيكة الجديدة في بيئة حقيقية. قامت شركة Trialco Aluminium التابعة لمجموعة PSW في شيكاغو بتزويد سبائك الألومنيوم المعاد تدويرها، وكتل معدنية جاهزة لإعادة الصهر، مصبوبة من خردة صفائح هياكل السيارات المختلطة ومصممة خصيصًا وفقًا لمواصفات RidgeAlloy. تم شحن السبائك إلى شركة Falcon Lakeside Manufacturing في ميشيغان، حيث تم صبها بنجاح في قطع غيار السيارات باستخدام الصب بالضغط العالي.

قال بلوتكوفسكي: “الجزء الذي اخترناه كان متوسط ​​الحجم ومعقدًا إلى حد ما”. “الهدف النهائي هو صب أجزاء أكبر في نهاية المطاف، وربما حتى صب أجزاء كبيرة من السيارات، ولكن هذه هي الخطوة الأولى.”

أكدت الأجزاء المصبوبة أن RidgeAlloy، المكونة من الألومنيوم والمغنيسيوم والسيليكون والحديد والمنغنيز، تتمتع بمزيج من الخصائص اللازمة لسبائك المركبات الهيكلية، حتى عندما تكون مصنوعة من خلائط معاد تدويرها تحتوي على نسبة أعلى من الحديد والسيليكون. إنه يوفر القوة، ومقاومة التآكل، والمرونة، مما يتيح إنتاج المصبوبات الهيكلية للأجسام السفلية، ومكونات الإطار، والأجزاء المهمة الأخرى من خردة الألومنيوم بعد الاستهلاك. يوفر هذا الإنجاز الفرصة لإعادة تشكيل معادلة القيمة لكيفية فرز وإعادة استخدام صفائح هياكل السيارات في أمريكا الشمالية.

من المختبر الوطني إلى التأثير في العالم الحقيقي

وقال هاينز: “لقد اكتشف هذا الفريق كيفية الاستفادة الكاملة من مجموعة القدرات ذات المستوى العالمي للمختبر الوطني لسد فجوة كبيرة بسرعة في فهمنا لمواد السيارات خفيفة الوزن”.

بحلول أوائل ثلاثينيات القرن الحادي والعشرين، يمكن لشركة RidgeAlloy تمكين المصبوبات الهيكلية المعاد تدويرها بأحجام تعادل على الأقل نصف إنتاج الألمنيوم الأولي السنوي في الولايات المتحدة. وهذا من شأنه أن يقلل من استخدام الطاقة، وخفض التكاليف، وتعزيز سلاسل التوريد المحلية.

وقال هاينز: “تقدم RidgeAlloy أول تقنية قادرة على استعادة قيمة موجة هائلة سريعة الاقتراب وتاريخيًا من سبائك صفائح الألمنيوم المحلية المعاد تدويرها عالية الجودة للسيارات”. “هذه هي الصورة الكبيرة لتأثير سلسلة التوريد التي يهدف فريقنا إلى تحقيقها.”

هناك أيضًا إمكانية للتطبيقات المستقبلية في الآلات الصناعية، والمعدات الزراعية، والفضاء، ومعدات توليد الطاقة المتنقلة، ومركبات الطرق الوعرة مثل عربات الثلوج، والدراجات النارية، والمركبات البحرية، بما في ذلك الزلاجات النفاثة.

التمويل: تم دعم هذا البحث من قبل مكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة التابع لوزارة الطاقة، والبرنامج الأساسي للمعادن خفيفة الوزن التابع لمكتب تقنيات المركبات.

تم تطوير RidgeAlloy في إطار البرنامج الأساسي للمعادن خفيفة الوزن التابع لمكتب تقنيات المركبات. ضم فريق المشروع من ORNL أليكس بلوتكوفسكي، وأميت شيام، وألين هاينز، وسونيونغ كوون، ويينغ يانغ، وسوميت باهل، ونيك ريختر، وسيفيرين كامبييه، وأليس بيرين، وجيري كناب.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.