Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía y socios del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y Eck Industries con sede en Wisconsin han desarrollado aleaciones de aluminio que son más fáciles de trabajar y más tolerantes al calor que los productos existentes.
Lo que puede ser más importante, sin embargo, es que las aleaciones, que contienen cerio, tienen el potencial de impulsar la producción de elementos de tierras raras en los Estados Unidos.
Los científicos de ORNL Zach Sims, Michael McGuire y Orlando Rios, junto con colegas de Eck, LLNL y Ames Laboratory en Iowa, discuten las posibilidades técnicas y económicas de las aleaciones de aluminio-cerio en un artículo en JOM, una publicación de Minerals, Metals& Sociedad de Materiales.
El equipo está trabajando como parte del Critical Materials Institute, un Centro de Innovación Energética creado por el Departamento de Energía de EE. UU. DOE y administrado desde la Oficina de Fabricación Avanzada del DOE. Con sede en Ames, el instituto trabaja para aumentar la disponibilidad de productos rarosmetales terrestres y otros materiales críticos para la seguridad energética de EE. UU.
Las tierras raras son un grupo de elementos críticos para la electrónica, la energía alternativa y otras tecnologías modernas. Los molinos de viento modernos y los automóviles híbridos, por ejemplo, dependen de imanes permanentes potentes fabricados con los elementos de tierras raras neodimio y disprosio. Sin embargo, no se produce ninguna producción.en América del Norte en este momento.
Un problema es que el cerio representa hasta la mitad del contenido de tierras raras de muchos minerales de tierras raras, incluidos los de los Estados Unidos, y ha sido difícil para los productores de tierras raras encontrar un mercado para todo el cerio extraído.El mineral de tierras raras más común de los Estados Unidos, de hecho, contiene tres veces más cerio que neodimio y 500 veces más cerio que disprosio.
Las aleaciones de aluminio-cerio prometen impulsar la minería nacional de tierras raras al aumentar la demanda y, eventualmente, el valor del cerio.
"Tenemos estas tierras raras que necesitamos para las tecnologías energéticas", dijo Ríos, "pero cuando se va a extraer tierras raras, la mayoría es cerio y lantano, que tienen usos limitados de gran volumen".
Si, por ejemplo, las nuevas aleaciones encuentran un lugar en los motores de combustión interna, podrían transformar rápidamente el cerio de un subproducto inconveniente de la minería de tierras raras en un producto valioso en sí mismo.
"La industria del aluminio es enorme", explicó Ríos. "Se usa mucho aluminio en la industria automotriz, por lo que incluso una implementación muy pequeña en ese mercado usaría una enorme cantidad de cerio". Una penetración del 1 por ciento en el mercadopara las aleaciones de aluminio se traduciría en 3.000 toneladas de cerio, agregó.
Ríos dijo que los componentes fabricados con aleaciones de aluminio-cerio ofrecen varias ventajas sobre los fabricados con aleaciones de aluminio existentes, que incluyen bajo costo, alta capacidad de fundición, requisitos de tratamiento térmico reducidos y estabilidad excepcional a altas temperaturas.
"La mayoría de las aleaciones con propiedades excepcionales son más difíciles de fundir", dijo David Weiss, vicepresidente de ingeniería e investigación y desarrollo de Eck Industries, "pero el sistema de aluminio-cerio tiene características de fundición equivalentes a las aleaciones de aluminio-silicio".
La clave del rendimiento de las aleaciones a alta temperatura es un compuesto de aluminio-cerio específico, o intermetálico, que se forma dentro de las aleaciones a medida que se funden y moldean. Este intermetálico se funde solo a temperaturas superiores a 2000 grados Fahrenheit.
Esa tolerancia al calor hace que las aleaciones de aluminio-cerio sean muy atractivas para su uso en motores de combustión interna, señaló Ríos. Las pruebas han demostrado que las nuevas aleaciones son estables a 300 grados Celsius 572 grados Fahrenheit, una temperatura que haría que las aleaciones tradicionales comenzaran a funcionar.Además, la estabilidad de este intermetálico a veces elimina la necesidad de tratamientos térmicos típicamente necesarios para las aleaciones de aluminio.
Las aleaciones de aluminio-cerio no solo permitirían que los motores aumenten la eficiencia del combustible directamente al funcionar más calientes, sino que también pueden aumentar la eficiencia del combustible indirectamente, allanando el camino para motores más livianos que usan pequeños componentes a base de aluminio o usan aleaciones de aluminio para reemplazar el hierro fundidocomponentes como bloques de cilindros, cajas de transmisión y culatas de cilindros.
El equipo ya ha fabricado prototipos de culatas de cilindros de aviones en moldes de arena convencionales. El equipo también ha moldeado una culata de cilindros totalmente funcional para un generador eléctrico de combustibles fósiles en moldes de arena impresos en 3D. Esta demostración, la primera en su tipo, llevó aa una prueba de motor exitosa realizada en el Centro Nacional de Investigación de Transporte de ORNL. Se demostró que el motor maneja temperaturas de escape de más de 600 grados Celsius.
"Los moldes impresos tridimensionales suelen ser muy difíciles de llenar", dijo el físico de ORNL Zachary Sims, "pero las aleaciones de aluminio y cerio pueden llenar completamente el molde gracias a su excepcional capacidad de fundición".
Las aleaciones fueron inventadas conjuntamente por investigadores de ORNL y Eck Industries. Los colegas de Eck Industries contribuyeron con su experiencia en fundición de aluminio, y los investigadores de LLNL analizaron las fundiciones de aluminio-cerio utilizando tomografía computarizada de rayos X con fuente de sincrotrón.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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