Forschende des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) haben eine Methode entwickelt, um Aluminiumschrott direkt in hochleistungsfähige Legierungen umzuwandeln, ohne dabei auf herkömmliche Schmelzprozesse angewiesen zu sein.
Die Ergebnisse, veröffentlicht in Nature Communications, zeigen, dass durch diesen Ansatz aus industriellen Abfallmaterialien Aluminiumlegierungen hergestellt werden können, die den Eigenschaften von Primäraluminium entsprechen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für kostengünstige und umweltfreundliche Herstellungsprozesse.
„Das Neue an unserer Arbeit ist, dass man durch die Zugabe einer präzisen Menge von Metallelementen in die Mischung mit Aluminiumspänen als Vorläufer tatsächlich von einem kostengünstigen Abfall in ein hochpreisiges Produkt umwandeln kann“, sagte Xiao Li, ein PNNL-Materialwissenschaftler und Hauptautor der Forschungsstudie. „Wir machen das in nur einem einzigen Schritt, bei dem alles in fünf Minuten oder weniger legiert wird“.
Der Prozess, genannt Solid Phase Alloying, kombiniert Aluminiumschrott mit präzisen Mengen an Kupfer, Zink und Magnesium. Mit einer patentierten Technologie namens Shear Assisted Processing and Extrusion (ShAPE) wird das Material innerhalb von Minuten zu einer homogenen Legierung verarbeitet. Die Methode erzeugt durch Reibung und Wärme eine gleichmäßige Struktur, die herkömmlich geschmolzenem Aluminium in nichts nachsteht. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist die Einsparung von Energie und Ressourcen, da das energieintensive Schmelzen entfällt. Die hergestellten Legierungen weisen eine 200 Prozent höhere Zugfestigkeit auf als konventionell recyceltes Aluminium, was längere Haltbarkeit und bessere Leistung verspricht.
„Unsere Fähigkeit, Schrott zu recyceln, ist aufregend, aber was mich an dieser Forschung am meisten begeistert, ist, dass die Festphasenlegierung nicht nur auf Aluminiumlegierungen und Schrottrohstoffe beschränkt ist“, sagte Cindy Powell, Chief Science and Technology Officer für Energie und Umwelt am PNNL und Mitautorin der Studie. „Die Festphasenlegierung ist theoretisch auf jede denkbare Metallkombination anwendbar, und die Tatsache, dass die Herstellung vollständig im festen Zustand erfolgt, bedeutet, dass man völlig neue Legierungen in Betracht ziehen kann, die wir bisher nicht herstellen konnten.“
Ein weiteres Potenzial liegt in der Anpassung der Legierungszusammensetzung für den Einsatz im Drahtbasierten 3D-Druck, wie dem Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), wo maßgeschneiderte Drähte eine Herausforderung darstellen.
„Es ist schwierig, Zuführungsdrähte mit maßgeschneiderten Zusammensetzungen für die drahtbasierte additive Fertigung zu erhalten“, sagte Li. „Die Festphasenlegierung ist eine fantastische Möglichkeit, maßgeschneiderte Legierungen mit exakten Zusammensetzungen wie 2 Prozent Kupfer oder 5 Prozent Kupfer herzustellen.“
Diese Forschung könnte die Herstellung von Legierungen für verschiedene Anwendungen, von der Fahrzeugindustrie bis zur Luftfahrt, revolutionieren. Unterstützt wurde die Studie durch das Solid Phase Processing Science Initiative Programm bei PNNL, an dem ein multidisziplinäres Team beteiligt war.