Neues Verfahren ermöglicht hochwertige Metalllegierungen aus Aluminiumschrott

Ein Forschungsteam des Department of Energy’s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hat eine Methode entwickelt, mit der Aluminiumschrott effizient in hochfeste Metalllegierungen umgewandelt werden kann. Das Verfahren, bekannt als Solid Phase Alloying, eliminiert die Notwendigkeit herkömmlicher Schmelzprozesse und bietet eine vielversprechende Möglichkeit, industriellen Abfall in hochwertige Produkte zu transformieren. Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Im Zentrum der Methode steht die Verarbeitung von Aluminiumabfällen, die durch gezielte Zugabe von Metallen wie Kupfer, Zink und Magnesium zu einer widerstandsfähigen Legierung verarbeitet werden. Diese Umwandlung erfolgt mithilfe eines patentierten PNNL-Verfahrens namens Shear Assisted Processing and Extrusion (ShAPE). Dabei erzeugt eine rotierende Matrize Reibung und Hitze, die das Ausgangsmaterial in weniger als fünf Minuten zu einer homogenen Legierung formt. Im Vergleich dazu benötigen traditionelle Schmelz- und Gießverfahren mehrere Tage.

„Die Neuheit unserer Arbeit liegt darin, dass wir durch das präzise Hinzufügen bestimmter Metallelemente zu einer Mischung aus Aluminiumspänen als Ausgangsmaterial tatsächlich in der Lage sind, dieses von einem kostengünstigen Abfallprodukt in ein hochwertiges Endprodukt zu verwandeln“, erklärte Xiao Li, Materialwissenschaftler am PNNL und Hauptautor der Forschungsstudie. „Und das gelingt uns in nur einem Schritt, bei dem alles innerhalb von fünf Minuten oder weniger legiert wird.“

Ein entscheidender Vorteil des Verfahrens ist die Energieeffizienz. Da der energieintensive Schmelzprozess entfällt, werden nicht nur die Produktionskosten reduziert, sondern auch der ökologische Fußabdruck verringert. Zudem zeigt die hergestellte Legierung außergewöhnliche mechanische Eigenschaften: Sie ist bis zu 200 Prozent stärker als herkömmlich recyceltes Aluminium. Untersuchungen des inneren Gefüges ergaben, dass während des ShAPE-Prozesses sogenannte Guinier-Preston-Zonen entstehen, die die Festigkeit der Legierung auf atomarer Ebene erhöhen.

„Unsere Fähigkeit, Schrott aufzuwerten, ist spannend, aber das, was mich an dieser Forschung am meisten begeistert, ist, dass die Festkörperlegierung nicht nur auf Aluminiumlegierungen und minderwertige Ausgangsmaterialien beschränkt ist“, sagte Cindy Powell, Chief Science and Technology Officer für Energie und Umwelt am PNNL und Mitautorin der Studie. „Festkörperlegierungen sind theoretisch auf jede denkbare Metallkombination anwendbar, und die Tatsache, dass die Herstellung vollständig im festen Zustand erfolgt, eröffnet die Möglichkeit, völlig neue Legierungen zu entwickeln, die wir zuvor nicht herstellen konnten.“

Die Forschenden betonen das breite Anwendungspotenzial des Solid Phase Alloying. Neben Aluminium könnten auch andere Metalle durch das Verfahren recycelt und in neue Legierungen umgewandelt werden. Insbesondere für 3D-Drucktechnologien wie Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) eröffnet dies neue Möglichkeiten, maßgeschneiderte Drahtlegierungen herzustellen.

„Es ist schwierig, Drähte mit individuell angepassten Zusammensetzungen für den drahtbasierten additiven Metallbau zu beschaffen“, erklärte Li weiter. „Die Festkörperlegierung ist eine hervorragende Möglichkeit, maßgeschneiderte Legierungen mit exakt definierten Zusammensetzungen wie 2 Prozent Kupfer oder 5 Prozent Kupfer herzustellen.“

Das Projekt wurde durch das Laborprogramm Solid Phase Processing Science Initiative gefördert. Die Forschenden sehen in ihrer Arbeit einen Meilenstein für ressourceneffizientes Recycling und die Entwicklung neuer Materiallösungen.