更轻的汽车可以用更少的能源行驶更远的距离，从而推动了对更轻汽车零部件的需求。高性能铝合金，如合金 7075，是最轻和最强的选择之一，但它们需要能源密集型生产，这会提高成本并因此限制了它们的使用。

太平洋西北国家实验室 (PNNL) 的研究通过更高效的流程来制造高性能铝部件，将能源减少了一半。在能源部先进制造办公室的支持下，研究人员确定，剪切辅助加工和挤压 (ShAPE™) 技术可以消除生产过程中的热处理步骤，从而显着节省能源并减少排放。ShAPE 是一种绿色、经济实惠的制造方法，可在汽车应用中广泛使用高性能铝合金。

下一代金属制造的秘诀

就像烤蛋糕一样，金属制造依赖于充分混合的成分和大量的热量。传统的金属生产使用热量将单个金属和合金元素熔化在一起——如铝、铜或镁——以制造更轻、更强或更容易形成的合金。如果这些元素没有充分混合，则在加工过程中可能会形成裂缝和断裂，从而损害最终产品的特性——因为混合不足、块状的蛋糕面糊会导致蛋糕破碎、灾难性的蛋糕。在金属生产中，热量用于确保合金中的各个金属元素在称为均质化的步骤中充分混合。

在均质化过程中，称为钢坯的大型金属铸件被加热到接近 500 摄氏度 - 约 900 华氏度 - 长达 24 小时。该热处理步骤溶解合金聚集体——类似于蛋糕糊中的团块——在坯料中，以确保所有金属元素均匀分布或均质化。这提高了最终产品的性能。均质化后，金属棒在称为挤压的步骤中进一步加热和成型。

“均质化是整个金属挤压过程中最大的耗能步骤，” PNNL 首席材料科学家和 ShAPE 的共同开发者 Scott Whalen 说。

ShAPE 机器通过结合加热和变形——金属本身形状的变化，消除了单独的均质化和挤压步骤的需要。在 ShAPE 机器中，金属坯料同时被推过旋转模具中的一个小开口。一起，旋转运动和变形在金属元件被挤压时彻底混合。从本质上讲，ShAPE 工艺可以在几秒钟内均匀化金属坯料，就在它被挤压之前。这消除了对长达一天的预热均化步骤的需要，并且意味着在挤压过程中无需使用额外的能量来加热坯料。总之，使用 ShAPE 可以节省高达 50% 的能源。

ShAPE 不仅是 一种更节能、更快速的工艺，而且还提高了各个合金元素的混合程度，从而产生更好的最终产品。就像块状面糊会毁掉蛋糕一样，挤压制造中的最终产品通常在元素混合良好时表现更好。性能测试表明，用 ShAPE 处理的铝合金制成的部件的强度和伸长率超过了美国测试和材料协会的现行标准。

“我们使用电子显微镜仔细观察，发现 ShAPE 在挤压前将合金聚集体分解并溶解到铝基体中，使其更易于挤压， ”PNNL 材料科学家和最近出版物的主要作者王天浩说在材料和设计。“这转化为更好的性能——我们的 7075 铝合金更坚固，在断裂前拉伸得更远。”

让高性能铝合金触手可及

铝合金在汽车和航空航天工业中受到重视，因为它们坚固且重量轻。最高性能的铝合金制造起来既费时又耗能，使其在许多市场（如乘用车应用）中脱颖而出。ShAPE 工艺通过显着降低制造过程中的能源消耗和温室气体排放，消除了生产高性能铝合金的主要障碍。

“这是释放下一代金属制造潜力的重要一步，为未来生产更好、更便宜、更环保的产品，”惠伦说。