新型铝-铈合金有望提高汽车引擎能源效率促进稀土产品应用

美国能源部橡树岭国家实验室的研究者与ECK工业公司联合研发出比现有铝合金耐热性更高更易处理的新型铝合金。新型铝合金最重要是含有铈，这有可能推动美国稀土元素的生产。

橡树岭国家实验室科学家扎克.西姆斯，迈克尔.麦奎尔和奥兰多. 里奥斯以及来自ECK工业公司、劳伦斯利物莫国家实验室和艾姆斯实验室的研究者，共同讨论铝-铈合金的技术和经济发展可能。相关文章已经在矿产、金属材料学会的JOM杂志上发表。

该研究小组属于美国能源部创新能源中心的关键材料研究所，由美国能源部先进制造办公室管理。基于艾姆斯实验室，研究所致力于研究提升对美国能源安全至关重要的稀土金属和其他关键性原材料的性能。

稀土元素对于电子工业、新能源和其他现代技术都有着重要作用。比如现代风力发电和混合动力汽车，主要依赖的永磁体就是使用了稀土钕和镝元素。

铈在大部分稀土原矿中的比例能达到一半以上，包括美国的稀土原矿，因此铈元素的供需平衡对于稀土生产商来说是个难题。在美国最普通的稀土原矿，铈的含量是钕的3倍，是镝的500多倍。铝-铈合金有望提升铈元素的需求以及应用价值，从而促进国内稀土矿业。

“现代能源技术需要使用稀土元素”里奥斯说“但是我们进行稀土分离的时候，会产生大量应用有限的富余元素-镧和铈”。如果将新型铝合金放置在内燃机里，可以迅速的将铈由稀土开采的副产品转变成有更具价值的产品。

“铝业市场巨大”里奥斯介绍“铝被大量的使用在汽车行业，所以即使很小的组件投入到市场，也将扩大铈的需求量”。新型铝-铈合金即使只占1%的市场份额，对铈的需求量也要达到3000吨。由新型铝-铈合金制造的组件较现有产品有很多优点，如低成本、可塑性高、低热处理需求和超常的高温稳定性。

“很多具有特殊性质的合金一般都难以铸造”Eck工业研发部副总裁大卫.维斯说“但是铝-铈合金与铝-硅合金具有相同的铸造特性”。

合金高温特性的关键在于融化或者铸造中形成的特定的铝-铈混合物或者化合物。这种金属间化合物的融化温度在2000℉以上。

铝-铈合金的耐热性更适用于内燃机，实测显示新型合金在300℃(572℉)依然保持稳定，传统合金在这个温度下已经开始融化。另外，新型合金的稳定性减少了对热处理的需求。

铝-铈合金不仅可以通过运行温度来直接提升引擎的燃料效率，还可以通过使用小型铝基础组件或者使用铝合金替代铸铁的轻引擎来提升燃料效率，比如气缸柱、变速箱和气缸盖。

研究小组已经把飞机气缸盖的原型做成了传统的沙模。研究小组还把一个矿物燃料引擎的功能齐全的汽缸盖做成3 d打印的沙模。这是在橡树岭国家实验室运输研究中心同类别首例成功的引擎测试。处理显示引擎的排气温度超过600℃。

“3D打印模型一般很难实现”橡树岭实验室扎卡里说“但是由于铝-铈合金超常的可塑性，这个完全可以实现”。

新型铝-铈合金是由橡树岭国家实验室和Eck工业公司的科研人员共同研发的。Eck工业的科研人员主要负责铝铸件方面的技术支持，劳伦斯利物莫国家实验室科研人员使用同步加速源x射线计算机断层成像来分析铝-铈铸件。