تبدیل قراضه‌های فلزی به آلیاژهای ارزشمند با نوآوری تولید جامد

تحول ضایعات فلزی به آلیاژهای با عملکرد بالا

طبق یک مطالعه جدید از محققان آزمایشگاه ملی اقیانوس آرام وزارت انرژی ایالات متحده، ضایعات فلزی می‌توانند به طور مستقیم به آلیاژهای با عملکرد بالا و ارزش زیاد تبدیل و ارتقا یابند، بدون نیاز به فرآیندهای ذوب سنتی. این تحقیق که این هفته در نشریه Nature Communications منتشر شده، نشان می‌دهد که ضایعات آلومینیوم از جریان‌های زباله صنعتی می‌توانند آلیاژهای فلزی با عملکرد بالا تولید کنند. آلومینیوم بازیافتی عملکردی برابر با مواد مشابه تولید شده از آلومینیوم اولیه دارد، که نشان می‌دهد این رویکرد می‌تواند راهی کم‌هزینه برای عرضه محصولات فلزی بازیافتی با کیفیت بالا به بازار فراهم کند.

با تبدیل زباله به محصولات آلومینیومی با عملکرد بالا، روش جدیدی به نام آلیاژسازی فاز جامد نه تنها خواص مواد را بهبود می‌بخشد، بلکه به پایداری محیط زیست نیز کمک می‌کند. شگفتی کار ما این است که با افزودن مقدار دقیقی از عناصر فلزی به مخلوط با تراشه‌های آلومینیوم به عنوان پیش‌ساز، می‌توان آن را از یک زباله کم‌هزینه به یک محصول با هزینه بالا تبدیل کرد. این را شیاو لی، دانشمند مواد در PNNL و نویسنده اصلی این تحقیق، گفت. ما این کار را تنها در یک مرحله انجام می‌دهیم، جایی که همه چیز در کمتر از پنج دقیقه آلیاژ می‌شود.

فرآیند نوآورانه آلیاژسازی فاز جامد، ضایعات آلومینیوم را که با مس، روی و منیزیم ترکیب شده‌اند، به یک محصول آلیاژی آلومینیوم با استحکام بالا و طراحی دقیق در عرض چند دقیقه تبدیل می‌کند، در حالی که تولید همان محصول با استفاده از روش‌های سنتی ذوب، ریخته‌گری و اکستروژن چندین روز طول می‌کشد. تیم تحقیقاتی از یک تکنیک ثبت اختراع شده در PNNL به نام پردازش و اکستروژن با کمک برش یا ShAPE برای دستیابی به نتایج خود استفاده کرد. با این حال، محققان اشاره کردند که یافته‌ها باید با سایر فرآیندهای تولید فاز جامد قابل تکرار باشند.

در فرآیند ShAPE، قالب‌های چرخان با سرعت بالا، اصطکاک و حرارتی ایجاد می‌کنند که مواد اولیه چرب را به یک آلیاژ یکنواخت با ویژگی‌های مشابه محصول آلومینیوم تازه تولید شده تبدیل می‌کند. رویکرد فاز جامد نیاز به ذوب انبوه پرهزینه انرژی را از بین می‌برد، که به همراه مواد اولیه کم‌هزینه ناشی از ضایعات، پتانسیل کاهش شدید هزینه‌های تولید این مواد را دارد.

محصولات آلومینیومی بازیافتی: عمر طولانی‌تر و عملکرد بهتر

برای مصرف‌کنندگان، این به معنای آن است که محصولات آلومینیومی بازیافتی عمر طولانی‌تری خواهند داشت و عملکرد بهتری را با هزینه‌ای کمتر ارائه می‌دهند، صرف‌نظر از اینکه این محصولات بخشی از یک وسیله نقلیه، مصالح ساختمانی یا لوازم خانگی باشند.

آلیاژ فلزی با استحکام بالا

تیم علمی با استفاده از آزمایش‌های مکانیکی و تصاویر پیشرفته، ساختار داخلی مواد بازیافتی تولید شده از طریق آلیاژسازی فاز جامد را بررسی کرد. نتایج نشان داد که آلیاژ بازیافتی ShAPE یک ساختار نانویی منحصر به فرد در سطح اتمی ایجاد می‌کند. در طی فرآیند ShAPE، ویژگی‌های مقیاس اتمی که به نام نواحی گینیه-پرستون شناخته می‌شوند، درون آلیاژ شکل می‌گیرد. این ویژگی‌ها به خوبی شناخته شده‌اند که استحکام آلیاژهای فلزی را بهبود می‌بخشند.

در مقایسه با آلومینیوم بازیافتی معمولی، آلیاژ بازیافتی ShAPE دارای استحکام ۲۰۰ درصد بیشتر و افزایش استحکام کششی نهایی است. این ویژگی‌ها می‌توانند به تولید محصولاتی با عمر طولانی‌تر و عملکرد بهتر برای مصرف‌کنندگان منجر شوند.

«توانایی ما در بازیافت ضایعات هیجان‌انگیز است، اما چیزی که بیشتر از همه در این تحقیق مرا هیجان‌زده می‌کند این است که آلیاژسازی فاز جامد محدود به آلیاژهای آلومینیومی و مواد اولیه ضایعاتی نیست»، گفت سیندی پاول، رئیس علوم و فناوری انرژی و محیط زیست در PNNL و یکی از نویسندگان این مطالعه. «آلیاژسازی فاز جامد به‌طور نظری قابل اعمال به هر ترکیب فلزی است که بتوانید تصور کنید و این واقعیت که تولید به‌طور کامل در حالت جامد انجام می‌شود، به شما این امکان را می‌دهد که به آلیاژهای کاملاً جدیدی فکر کنید که قبلاً قادر به تولید آن‌ها نبوده‌ایم.»

فرآیند آلیاژسازی فاز جامد و کاربردهای آن

لی گفت که فرآیند آلیاژسازی فاز جامد می‌تواند برای ایجاد آلیاژهای سفارشی فلزی برای تکنولوژی‌های مختلف چاپ سه‌بعدی استفاده شود. به‌عنوان مثال، تولید افزودنی قوس سیمی یا “WAAM” برای چاپ سه‌بعدی یا تعمیر قطعات فلزی استفاده می‌شود. در این فرآیند، یک رول سیم به یک مشعل جوشکاری رباتیک تغذیه می‌شود که آن را ذوب کرده و قطعات سه‌بعدی را می‌سازد.

«به‌دست آوردن سیم‌های تغذیه با ترکیب‌های سفارشی برای تولید افزودنی مبتنی بر سیم دشوار است»، گفت لی. «آلیاژسازی فاز جامد یک روش فوق‌العاده برای تولید آلیاژهای سفارشی با ترکیب‌های دقیق مانند ۲ درصد مس یا ۵ درصد مس است.»

این مطالعه تحقیقاتی با حمایت برنامه تحقیقات و توسعه هدایت شده آزمایشگاه PNNL، به عنوان بخشی از ابتکار علمی پردازش فاز جامد انجام شده است. محققان PNNL، تیانهائو وانگ، زهاو لی، تینگکون لیو، شیانگ وانگ، آرون دواراج، سیندی پاول و خورخه اف. دوس سانتوس نیز در این تحقیق مشارکت داشته‌اند.