تبدیل شگفت‌انگیز ضایعات فلزی به آلیاژهای فوق‌العاده با 5 دقیقه‌!

دگرگونی دورریزهای فلزی به آلیاژهای با کارایی بالا

بر اساس یک پژوهش تازه از سوی محققان آزمایشگاه ملی پاسیفیک نورث‌وست وزارت انرژی ایالات متحده، ضایعات فلزی قادرند بدون نیاز به فرآیندهای ذوب سنتی، مستقیماً به آلیاژهای با کارایی عالی و باارزش تبدیل و ارتقا یابند. این تحقیق که همین هفته در نشریه “Nature Communications” منتشر شد، نشان می‌دهد که دورریزهای آلومینیومی حاصل از پسماندهای صنعتی می‌توانند به تولید آلیاژهای فلزی با عملکرد بالا منجر شوند. آلومینیوم بازیافتی، عملکردی مشابه با مواد مشابه تولید شده از آلومینیوم اولیه دارد، که نشان می‌دهد این روش می‌تواند مسیری کم‌هزینه برای عرضه محصولات فلزی بازیافتی با کیفیت برتر به بازار فراهم سازد.

با تبدیل زباله به محصولات آلومینیومی با راندمان بالا، یک روش نوظهور به نام آلیاژسازی فاز جامد، علاوه بر بهبود خواص مواد، در پایداری محیط زیست نیز نقش مهمی ایفا می‌کند. “نکته جالب توجه در کار ما این است که با افزودن مقادیر دقیق عناصر فلزی به مخلوطی که تراشه‌های آلومینیومی به عنوان ماده اولیه در آن حضور دارند، می توانیم آن را از یک زباله کم‌ارزش به یک محصول با ارزش و گران‌قیمت تبدیل کنیم.” این سخنان شیاو لی، دانشمند مواد در PNNL و نویسنده اصلی این تحقیق است. “ما این کار را فقط در یک مرحله انجام می‌دهیم، جایی که کل فرآیند آلیاژسازی در کمتر از پنج دقیقه به پایان می‌رسد.”

فرآیند ابتکاری آلیاژسازی فاز جامد، دورریزهای آلومینیومی که با مس، روی و منیزیم ترکیب شده‌اند را در عرض چند دقیقه به یک محصول آلیاژی آلومینیومی با استحکام بالا و با طراحی دقیق تبدیل می‌کند، در حالی که تولید همان محصول با استفاده از روش‌های سنتی ذوب، ریخته‌گری و اکستروژن، روزها به طول می‌انجامد. تیم پژوهشی از یک تکنیک ثبت شده در PNNL با نام “پردازش و اکستروژن با کمک برش” یا “ShAPE” برای رسیدن به نتایج خود بهره برد. با این وجود، محققان اشاره کردند که یافته‌ها باید قابلیت تکرار با سایر فرآیندهای تولید فاز جامد را داشته باشند.

در فرآیند “ShAPE”، قالب‌های چرخان با سرعت بالا، اصطکاک و حرارت ایجاد می‌کنند که مواد اولیه چرب را به یک آلیاژ یکنواخت با ویژگی‌های مشابه محصول آلومینیوم نو تبدیل می‌کند. این رویکرد فاز جامد نیاز به ذوب انبوه پرهزینه انرژی را از بین می‌برد، که همراه با مواد اولیه ارزان‌قیمت حاصل از دورریزها، موجب کاهش چشمگیر هزینه‌های تولید این مواد می‌شود.

محصولات آلومینیومی بازیافتی: طول عمر بیشتر و عملکرد بهتر

برای مصرف‌کنندگان، این به معنای آن است که محصولات آلومینیومی بازیافتی، طول عمر بیشتری خواهند داشت و عملکرد بهتری را با هزینه کمتری ارائه می‌دهند، چه این محصولات بخشی از یک وسیله نقلیه باشند، چه مصالح ساختمانی یا لوازم خانگی.

آلیاژ فلزی با استحکام زیاد

تیم علمی با استفاده از آزمایش‌های مکانیکی و تصاویر پیشرفته، ساختار داخلی مواد بازیافتی تولید شده از طریق آلیاژسازی فاز جامد را مورد بررسی قرار داد. نتایج نشان داد که آلیاژ بازیافتی “ShAPE”، یک ساختار نانویی منحصربه‌فرد در سطح اتمی تولید می‌کند. در طول فرآیند “ShAPE”، ویژگی‌های مقیاس اتمی که به نام نواحی “گینیه-پرستون” شناخته می‌شوند، درون آلیاژ شکل می‌گیرند. این ویژگی‌ها، که به خوبی شناخته شده‌اند، استحکام آلیاژهای فلزی را افزایش می‌دهند.

در مقایسه با آلومینیوم بازیافتی معمولی، آلیاژ بازیافتی “ShAPE” دارای استحکام 200 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 بازیافت ضایعات هیجان‌انگیز است، اما چیزی که بیشتر از همه در این تحقیق برای من هیجان‌انگیز بود، این است که آلیاژسازی فاز جامد به آلیاژهای آلومینیومی و مواد اولیه ضایعاتی محدود نیست.” این را سیندی پاول، رئیس علوم و فناوری انرژی و محیط زیست در PNNL و یکی از نویسندگان این پژوهش گفت. “آلیاژسازی فاز جامد به طور نظری قابل اعمال به هر ترکیب فلزی است که بتوان تصور کرد و این واقعیت که تولید به طور کامل در حالت جامد انجام می‌شود، به شما این امکان را می‌دهد که به آلیاژهای کاملاً جدیدی فکر کنید که تا پیش از این قادر به تولید آن‌ها نبوده‌ایم.”

فرآیند آلیاژسازی فاز جامد و کاربردهای آن

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

“تهیه سیم‌های تغذیه با ترکیب‌های سفارشی برای تولید افزودنی مبتنی بر سیم، دشوار است.” لی گفت. “آلیاژسازی فاز جامد یک روش عالی برای تولید آلیاژهای سفارشی با ترکیب‌های دقیق، مانند 2 درصد مس یا 5 درصد مس است.”

این مطالعه تحقیقاتی با حمایت برنامه تحقیقات و توسعه هدایت‌شده 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 همکاری داشته‌اند.