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ORNL entwickelt neue ACMZ-Aluminiumlegierung für bessere Kraftstoffökonomie

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  • ORNL entwickelt neue ACMZ-Aluminiumlegierung für bessere Kraftstoffökonomie

    Forscher von ORNL haben in Zusammenarbeit mit FCA US und Nemak USA eine neue Reihe von Legierungen auf Aluminiumbasis entwickelt , die Automobilherstellern bei der Erreichung ambitionierter Kraftstoffeffizienzziele einen Schub geben können. Die Aluminium-Kupfer-Mangan-Zirkonium-Legierungen-ACMZ-wurden in knapp vier Jahren entwickelt, blitzschnell, wenn es um die Entwicklung einer komplexen Legierung geht.

    Erschwinglich, leicht und in der Lage, Temperaturen zu überstehen, die um 100 Grad Celsius höher sind als bei handelsüblichen Automobilgusslegierungen, erweist sich ACMZ als geeignet für die nächste Generation von verbrauchsärmeren Verbrennungsmotoren.

    Gegenwärtige Legierungen hemmen die Motoreffizienz, da sie bei den Spitzentemperaturen, die in hocheffizienten fortschrittlichen Motoren vorhanden sind, erweichen. Die heute für Zylinderköpfe verwendeten Aluminiumlegierungen, die als 319- und 356-Klasse bekannt sind, beginnen über 200 Grad Celsius stark zu schwächen. Fahrzeughersteller benötigen eine Legierung, die die Wärme aufnimmt, dauerhaft ist und in bestehenden Fertigungsprozessen verwendet werden kann. ACMZ - das bis zu 300 Grad Celsius (572 Grad Fahrenheit) stark bleibt - erfüllt alle diese Parameter, sagt FCA.

    ACMZ, auch bekannt als 16HT, kann es Ingenieuren ermöglichen, die "Brücken" -Bereiche im Zylinderkopf zu verengen - die Metallflächen zwischen den Ventilen, der Zündkerze und der Direkteinspritzdüse, so FCA. Durch die Verengung der Brücken wird Platz für größere Ventile oder sogar eine zweite Zündkerze geschaffen, wodurch die Ingenieure die Flexibilität erhalten, einen Motor auf die gewünschte Balance von Leistung und Effizienz abzustimmen.

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    Ein Zylinderkopf aus leichtgewichtigem, hochtemperaturbeständigem ACMZ, einer neuen Reihe von Aluminiumlegierungen, die von Forschern von ORNL entwickelt wurden. Bildnachweis: Jason Richards, ORNL


    Ein Hauptunterschied zwischen ACMZ und den heutigen Automobilaluminiumlegierungen besteht darin, dass ACMZ anstelle von Silizium Kupfer als Verstärkungskomponente verwendet. Aluminiumlegierungen mit Kupfer sind nicht neu, sagte Gregg Black, Senior Manager bei Advanced Powertrain Engineering bei FCA. Sie sind jedoch teuer, in geringen Mengen hergestellt und wurden in der Automobilindustrie nicht verwendet, da das Teil nach dem Gießen kleine Risse während der Erstarrung entwickeln kann, ein Problem, das als "Heißriss" bekannt ist.

    Die fortschrittlichen Sonden von Oak Ridge ermöglichen es den Ingenieuren, bis zum atomaren Niveau zu verstehen, was mit einer Legierung beim Abkühlen passiert, indem sie die Formation, Größe und Position der verstärkenden Elemente untersucht, die Niederschläge genannt werden.

    Die Reise nach ACMZ begann im Jahr 2012 mit einer Herausforderung von DOE Vehicle Technologies Office für eine neue Hochleistungslegierung. Ein multidisziplinäres Team von Material-, Metallurgie- und Computerwissenschaftlern, angeführt von Amit Shyam von ORNL, trat vor und begann mit Unterstützung der Industriepartner FCA US und Nemak USA den Entwicklungsplan.
    Wir wussten, dass dies in vier Jahren ein großes Ziel sein würde. In der Regel dauert es 10 bis 20 Jahre, um ein neues Material zu entwickeln.
    -Allen Haynes, Leiterin der Gruppe für Materialbearbeitung und -verbindung bei ORNL
    Shyams Team überprüfte erstmals die Geschichte und verglich eine Gruppe industriell verfügbarer Aluminiumlegierungen, einschließlich der RR350-Legierung, die aus einer Flugzeuganwendung im Zweiten Weltkrieg entstand.

    RR350 hatte bemerkenswerte Hochtemperatureigenschaften, hatte jedoch ein schlechtes Gießverhalten und war aufgrund teurer Nickel- und Cobaltzusätze nicht erschwinglich, sagte Shyam. Das Team stellte RR350 unter die Lupe und bebilderte und analysierte es chemisch bis zur atomaren Skala, um seine Eigenschaften besser zu verstehen.
    Wir begannen zu verstehen, was mit der Struktur und der Stabilität des Materials geschieht, wenn es verschiedene Temperaturen und Spannungen durchläuft und dabei entdeckt, wie es stärker und gießbarer gemacht werden kann und dabei teure Elemente eliminiert werden.
    -Amit Shyam
    Mithilfe eines prädiktiven Entwicklungsprozesses, der als ICME (Integrated Computational Material Engineering) bekannt ist, ermöglichte der Titan-Supercomputer dem Team, virtuell 50 nie dagewesene Aluminium-Kupfer-Rezepte zu erstellen und anschließend die Kühl- und Leistungseigenschaften zu simulieren. Es half dem Team, das Feld innerhalb von 24 Monaten auf sieben Hochpotenziallegierungen zu reduzieren.


    Die Kombination unserer experimentellen Forschung, rechnerischen Berechnungen und Materialcharakterisierungsfähigkeiten, zusammen mit der regelmäßigen Teilnahme von unseren zwei Industriepartnern, half uns, ACMZ zu entwickeln. Frühphasenforschung lieferte einen fundamentalen Durchbruch in der Metallurgie, der in das Design dieser neuen Legierungsfamilie einging.
    -Allen Haynes
    Die Tests werden mit FCA und Nemak fortgesetzt, um die Haltbarkeit der Legierung in Motoranwendungen zu bewerten. Ein Zylinderkopf, der von ACMZ gegossen wurde, hat den strengen Dynamometer-Test von FCA an einem Turbomotor im Dezember 2017 erfolgreich abgeschlossen, und die internen Bewertungen von ACMZ werden 2018 fortgesetzt.

    Blog_acmz2

    FCA hat einen aktuellen Zylinderkopfmodellguss mit der neuen hochfesten Aluminiumlegierung ACMZ getestet.
    Zuletzt geändert von Florida; 04.07.2018, 16:35.

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