I ett första i sitt slag experiment, forskare använde neutroner för att undersöka prestandan hos en ny aluminiumlegering i en bensindriven motor-medan motorn var igång.

Ett team från Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory arbetade med branschpartner för att utföra testet, som tittade på om en högpresterande legering som lovar för fordonsapplikationer höll sig under värmen och påfrestningarna från en förbränningsmotor.

Prestationen var den första för Spallation Neutron Source, sa Ke An, ledande instrumentforskare för anläggningens VULCAN -instrument. "Detta var första gången en förbränningsmotor kördes på vår diffraktometer, och, så vitt vi vet, på någon annan, "konstaterade han.

De unika egenskaperna hos neutroner gör att de kan tränga igenom material på ett icke -destruktivt sätt, avslöjar grundläggande detaljer om ett material atomstruktur. VULCAN använder neutroner för att mäta påfrestningar och påfrestningar på stora industriprov, vilket gjorde den idealisk för utvärdering av ett cylinderhuvud gjutet från en aluminium-ceriumlegering ORNL utvecklad i samarbete med Eck Industries.

ORNL materialvetare Orlando Rios, som har arbetat genom Critical Materials Institute för att undersöka användningen av cerium som ett förstärkningsmedel för aluminiumlegeringar, ledde experimentet.

"Vårt experiment bekräftade att vår legering överträffar andra aluminiumlegeringar vid förhöjda temperaturer, "Sa Rios.

"Fordonsindustrin är för närvarande intresserad av legeringar som klarar höga värmebehov av nya, energieffektiv teknik, "förklarade han." Vår aluminium-ceriumkomposition visar exceptionell stabilitet vid temperaturer över 500 grader Celsius [932 grader Fahrenheit], vilket är ovanligt för aluminiumlegeringar. "

Löjtnant Eric Stromme, en marinresa med industrikollega som hjälpte till med projektet, Lagt till, "Med en aluminiumlegering stabil vid höga temperaturer, motorer kan gå varmare, och komponenter kunde göras lättare, öka effektiviteten och bränsleekonomin. "

Med hjälp av kollegor vid ORNL:s tillverkningsdemonstrationsanläggning och National Transportation Research Center, Rios team gjöt Al-Ce-cylinderhuvudet med hjälp av 3D-tryckta sandformar och eftermonterade komponenten till en prototypmotor utformad speciellt för VULCAN.

Under det tre dagar långa experimentet-med motorn som stannade och startade om via en fjärntändning från VULCAN:s kontrollrum-tillät neutrons diffraktion forskarna att "se" Al-Ces högtemperaturstabilitet under motorns driftsregim.

Material upplever komplexa krafter och extrema temperaturer under förbränning, så forskarna ville mäta materialprestanda under faktiska driftförhållanden.

"Vi tog verkligen motorn genom dess steg. Det var förmodligen det högsta experimentet som ägde rum på SNS, "noterade Rios, som arbetade på projektet med ORNL postdoc Michael Kesler och University of Tennessee Bredesen Center Fellow Zachary Sims.

"Hela laget var imponerad av kvaliteten på data från VULCAN, särskilt med tanke på att neutronerna måste färdas genom en hel motorstruktur innan de observerades av våra detektorer för att tillhandahålla information om cylinderhuvudet på jobbet, "Sa Rios." Det är verkligen anmärkningsvärt. "

En tillagd, "Det vi har åstadkommit är ett proof-of-concept för att bevisa genomförbarheten och värdet av denna typ av experiment."

An noterade effektiviteten av att samarbeta mellan discipliner mellan ORNL och branschpartner för att stödja insatsen. Han arbetar för närvarande med att effektivisera processen för framtida VULCAN -användare.

"Detta var ett grundläggande experiment, inte bara för att bättre förstå denna legering utan också för att ge en bredare analys som möjliggör nya legeringar, inte bara aluminiumföreningar, att behandlas på detta sätt, "Rios sa." Experimentet visar fördelarna med att koppla grundläggande vetenskap till tidig forskning och utveckling av nya material och tekniker. Vi hoppas att det vi lär oss genom detta experiment kan tillämpas på många andra material i ett brett spektrum av applikationer. "

Denna forskning sponsras av DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy via Critical Materials Institute, ett DOE Energy Innovation Hub, med ytterligare finansiering från DOE Office of Science. Partners inkluderar Ames National Laboratory, ORNL, Lawrence Livermore National Laboratory, Idaho National Laboratory, och Eck Industries. Materials Science and Technology Division på ORNL ledde experimentet i samarbete med Manufacturing Demonstration Facility, National Transportation Research Center, och VULCAN instrumentteam.