Wisconsins Eck Industries har tecknat en exklusiv licens för kommersialisering av en cerium-aluminium (Ce-Al) legering som utvecklats av Department of Energys Oak Ridge National Laboratory som är idealisk för att skapa lättvikts, starka komponenter för avancerade fordon och flygplan.

Den patentsökta legeringen utvecklades som en del av DOE:s Critical Materials Institute (CMI) och använder sig av cerium, det vanligaste sällsynta jordartselementet. Cerium utgör så mycket som hälften av utvunna sällsynta jordartsmetaller, har ändå mindre värde än samgruvade element som neodym och dysprosium som är mycket efterfrågade för avancerade energitekniktillämpningar. Att skapa nya användningsområden för cerium stödjer både inhemsk gruvdrift för sällsynta jordartsmetaller och den amerikanska tillverkningssektorn.

Forskare vid ORNL, arbetar med Eck Industries och forskare vid DOE:s Ames och Lawrence Livermore nationella laboratorier, utvecklat Ce-Al-legeringen som är lätt att arbeta med, lättvikt, korrosionsbeständig, och exceptionellt stabil vid höga temperaturer – vilket gör den idealisk för bilar, flyg, kraftproduktion, och andra applikationer.

Tester har visat att Ce-Al-legeringen är stabil vid 500 grader Celsius. Att tåla högre temperaturer innebär till exempel, att motorer tillverkade av legeringen kan gå varmare med mer fullständig bränsleförbränning samtidigt som de är lättare i vikt, vilket förbättrar bränsleeffektiviteten.

Ce-Al kräver ingen ytterligare termisk bearbetning under gjutningsprocessen och drar fördel av riklig, låg kostnad cerium, sa ORNL-forskaren Orlando Rios. Gjutning med legeringen kan utföras med standardpraxis för aluminiumgjuteri och utan en skyddande atmosfär.

"Legeringen är termodynamiskt stabil, ", sa Rios. Kostnaden för värmebehandling och den ytterligare bearbetning som krävs på grund av termisk distorsion kan utgöra cirka 50-60 procent av kostnaden för att gjuta traditionella legeringar. Energikostnaderna kan potentiellt minska med 30-60 procent jämfört med traditionella gjutprocesser , noterade han. Ce-Al-legeringens potential markerar en betydande avvikelse från eftergjutning av värmebehandling och åldringshärdande metoder som utvecklats under cirka 100 år och kan avsevärt förbättra tillverkningens konkurrenskraft som ett resultat, Rios tillade.

Alan Liby, chef för ORNLs Advanced Manufacturing Program, sa, "De genombrottsegenskaper som observeras i denna innovativa legering kommer att möjliggöra större energieffektivitet i tillverkningen och nya energieffektiva produkter."

Eck, ett privatägt företag baserat i Manitowoc, Wis., var med och utvecklade och testade legeringen under ett separat avtal. Företaget har tillverkat aluminiumgjutgods för kunder inom militären, bil, flyg, energi, medicinsk, och industriella marknader sedan 1948.

"Det har funnits ett enormt intresse från industrin på grund av de unika materialegenskaperna och låga kostnaderna för denna legering, sa David Weiss, vice vd för Engineering/R&D på Eck. "Detta projekt är en mall för snabb utveckling och kommersialisering. Vi överbryggade inte bara forskningens "dödens dal, ' vi utvecklade också en motorväg för kommunikation från våra kunder till oss för att hjälpa till att vägleda projektet."

Inblandning av flera nationella laboratorier och industri via CMI:s intresse av att utnyttja vetenskaplig kunskap för att hjälpa till att lösa kritiska materialfrågor var avgörande för snabb utveckling av legeringen. ORNL-forskare ledde utvecklingsteamet samtidigt som de fokuserade på gjutning och stabilitet i mikrostrukturegenskaper. Ames körde experiment på termomekanisk bearbetning och undersökte de termofysiska egenskaperna hos Ce-Al-legeringen. Lawrence Livermore utförde karaktäriseringsarbete med hjälp av avancerad mikroskopi och andra metoder. Eck var involverad i experiment i pilotskala och gav tillverkningsinsikt och expertis.

CMI:s strategi är att föra samman industriella, akademisk, och nationell laboratorieexpertis för att hantera USA:s beroende av kritiska material som sällsynta jordartsmetaller som är viktiga för energi, försvar, och andra tillverkningssektorer.

"Det är svårt för en gruva att överleva om hälften av dess produktion inte har någon marknad. Denna legering skapar användning för cerium som åtföljer knappa och kritiska sällsynta jordartsmetaller som neodym och dysprosium, " sa CMI-chefen Alex King.