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11家單位！1254篇參考文獻(xiàn)！德國(guó)馬普所&中南大學(xué)等在“再生鋁”領(lǐng)域發(fā)表重磅頂刊綜述（IF=39.58）

2022-04-18 16:07:36 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：在可持續(xù)性方面，鋁雖然密度低，有助于節(jié)約燃料，但從礦石中生產(chǎn)它是非常耗能的。從廢料中熔化鋁所需的能量?jī)H為還原礦石所需能量的5%左右，所以對(duì)其進(jìn)行回收利用擁有更高的可持續(xù)性。據(jù)估計(jì)，到2050年，可回收利用的鋁數(shù)量將翻一倍，這提供了一個(gè)讓冶金部門更接近循環(huán)經(jīng)濟(jì)的機(jī)會(huì)。本文討論了廢料相關(guān)雜質(zhì)對(duì)沉淀反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的影響及其機(jī)械和電化學(xué)效應(yīng)；雜質(zhì)對(duì)晶界無(wú)沉淀區(qū)的影響；它們對(duì)鑄件組織的影響；通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)和相關(guān)的機(jī)械性能、功能性能和化學(xué)性能提出了各種可能性。目標(biāo)是促進(jìn)鋁合金的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，使其具有盡可能高的廢品率，即使是低質(zhì)量的廢品和廢品類型，在回收時(shí)也只能與少數(shù)目標(biāo)合金匹配。

在更可持續(xù)的合金設(shè)計(jì)策略中，必須考慮到大量的廢料被消費(fèi)后，含有高水平的元素污染。“綠色鋁”趨勢(shì)已經(jīng)在倫敦金屬交易所（London Metal Exchange, 2020）引發(fā)了一個(gè)低碳鋁的新交易平臺(tái)。這一趨勢(shì)可能會(huì)限制在未來(lái)產(chǎn)品中使用非可持續(xù)材料。從初級(jí)合成（礦石還原）到次級(jí)合成（廢料熔化）的轉(zhuǎn)變需要更好地了解與廢料有關(guān)的多種污染物元素是如何作用于鋁合金的，以及未來(lái)的合金如何預(yù)先設(shè)計(jì)成具有廢料兼容性和成分容錯(cuò)性。

在此，德國(guó)馬普所聯(lián)合、英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院、維也納科技大學(xué)、曼徹斯特大學(xué)、中國(guó)中南大學(xué)11所國(guó)內(nèi)外頂尖機(jī)構(gòu)回顧并評(píng)估了鋁回收背后的冶金機(jī)理，這里的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是合金中雜質(zhì)元素的大規(guī)模侵入和積累，包括不同元素的數(shù)量和濃度。這里出現(xiàn)了兩個(gè)主要任務(wù)。一是開(kāi)發(fā)與廢料更兼容的成熟工程合金，即更能容忍從廢料中侵入的某些雜質(zhì)元素，從而使其在更高雜質(zhì)含量和更高成分可變性的條件下更加堅(jiān)固。包括廢料相關(guān)污染物對(duì)沉淀反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的影響，以及它們的機(jī)械和電化學(xué)效應(yīng)、晶界周圍無(wú)沉淀區(qū)、鑄造組織、調(diào)整工藝參數(shù)以及由此產(chǎn)生的機(jī)械、功能和化學(xué)性能。這將使合金適合最大限度地利用廢料。另一項(xiàng)任務(wù)是減少合金的數(shù)量及其化學(xué)復(fù)雜性，并盡可能通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)調(diào)整代替成分調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)一致的性能。相關(guān)研究成果以題“Making sustainable aluminum by recycling scrap: The science of ”dirty“ alloys”的綜述發(fā)表在國(guó)際著名期刊Progress in Materials Science上。

鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642522000287

目前每年生產(chǎn)約1億噸鋁，？其中35%來(lái)自廢料，而？40%已經(jīng)在制造鏈中報(bào)廢。說(shuō)到可持續(xù)性，鋁是一種具有兩個(gè)方面的材料。一方面，由于其低質(zhì)量密度（2.7 kg dm-3），它降低了產(chǎn)品和工藝的能耗，例如在輕型運(yùn)輸、包裝和施工中。它還用于低電阻、低重量的導(dǎo)電，如37×106 A（Vm）-1，其導(dǎo)電率達(dá)到純銅的64%，質(zhì)量約為純銅的3倍。另一方面，鋁也是最大的溫室氣體（GHG）生產(chǎn)原因之一，也是從礦石中生產(chǎn)的能源密集型工業(yè)金屬。其溫室氣體排放包括二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、氫氟碳化合物、全氟化碳和六氟化硫。在全球范圍內(nèi)，鋁生產(chǎn)起到了重要作用，約占所有溫室氣體排放量的3%（工業(yè)部門總排放量的15%），每年約1.1 Gt二氧化碳當(dāng)量。這意味著初級(jí)生產(chǎn)的鋁每生產(chǎn)一噸金屬產(chǎn)生約12-16.5噸溫室氣體。大約65%的排放是因?yàn)榧s67%的電解用電來(lái)自化石燃料。鋁生產(chǎn)需要？每年13 Exa J能量，即約占全球能源消耗總量的1%。在采礦和電解過(guò)程中，鋁的合成還會(huì)產(chǎn)生多種有害的副產(chǎn)品。由于人口的增長(zhǎng)（以及中產(chǎn)階級(jí)的增長(zhǎng)，現(xiàn)在約占總?cè)丝诘囊话耄┖腿司X消費(fèi)量的增加，這種影響正在加速，這是由交通、城市化、電氣化和制造業(yè)的幾個(gè)當(dāng)前趨勢(shì)所驅(qū)動(dòng)的。鋁生產(chǎn)在歷史上首次面臨可持續(xù)性限制（見(jiàn)圖1）。

圖1 與一次合成的鋁合金相比，完全由廢料制成的鋁合金可減少90%的能源消耗和溫室氣體排放。先進(jìn)的合金設(shè)計(jì)旨在通過(guò)內(nèi)置的可回收性改進(jìn)和開(kāi)發(fā)合金，以實(shí)現(xiàn)最大限度的廢料兼容性和使用。平均而言，原鋁生產(chǎn)的隱含能值在53-65kWh/kg（190 - 235MJ/kg）之間，取決于略有不同的近似值和年份。

機(jī)械廢料處理主要包括粉碎、分類、分揀、凝聚和脫水。粉碎在廢鋁中起著重要作用。它可以分離可能導(dǎo)致熔化問(wèn)題的異物。粉碎和/或團(tuán)聚也有利于運(yùn)輸、儲(chǔ)存和充電。非金屬和金屬部件通過(guò)分類和分類相互分離。根據(jù)原材料的質(zhì)量，有各種各樣的廢鋁處理技術(shù)。圖11示出了各種可能的處理選項(xiàng)和工作流。粉碎主要通過(guò)施加機(jī)械應(yīng)力（張力、壓力、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲、切割等）進(jìn)行。

圖11 廢鋁的加工方法。

1956年，研究了從鋁表面分離致密氧化層的過(guò)程，并制定了分三個(gè)階段的分步過(guò)程。這些階段是附著氧化層中缺陷的形成，這可能是由于熱應(yīng)力和相變引起的；熔鹽在氧化層和鋁之間的滲透；以及氧化層的剝離。熔鹽和氧化物之間的界面張力低于氧化物和鋁之間的界面張力，這是氧化層剝離的機(jī)理。添加氟化物會(huì)導(dǎo)致這些表面活性元素的局部積累，從而降低鹽和鋁之間的界面張力。由此產(chǎn)生的張力梯度增加了分離力。液鹽中的氯陰離子也在侵蝕氧化層中起著重要作用。氧化層剝離的階段如圖16所示。發(fā)生的子步驟是熔鹽與氧化層的接觸；氯化物對(duì)氧化層的侵蝕；通過(guò)滲透液態(tài)鹽和分離相（液態(tài)鋁和氧化物顆粒）分離氧化物。

圖16 使用熔鹽回收鋁期間氧化層分離的示意圖。

圖20 最重要的雜質(zhì)元素Fe、Si和Mn的相圖截面和投影的富鋁區(qū)域。（a） Al-Fe-Si系統(tǒng)的富鋁側(cè)。（b） Al-Fe-Mn相圖液相線的投影。（c）四元Al-Fe-Mn-Si系凝固表面的多熱投影。

圖25 彎曲過(guò)程中，富鐵金屬間化合物顆粒帶出現(xiàn)裂紋。

圖32 ClaNG模擬顯示了（a）第二相粒子體積和（b）均勻化時(shí) “HT”期間溶質(zhì)css的演變。

圖39 擴(kuò)散偶由兩種不同Mg含量的Al-Cu-Li合金線性摩擦焊接而成。（左上）焊接后的顯微照片。（左下）均質(zhì)后的顯微照片。（右）不同處理步驟后的合成曲線。

圖 48。可時(shí)效硬化回收變形鋁合金的元素雷達(dá)圖，其中由于不同等級(jí)的鋁合金的混合以及從受污染的廢料中引入的雜質(zhì)而與當(dāng)前鋁合金的標(biāo)準(zhǔn)成分發(fā)生偏差

圖40 通過(guò)在不同Mg含量的Al-Cu-Li-Mg成分梯度合金自然時(shí)效期間進(jìn)行的同時(shí)時(shí)間和空間分辨SAXS實(shí)驗(yàn)獲得的納米級(jí)團(tuán)簇和沉淀微觀結(jié)構(gòu)的參數(shù)。

圖49。再生鋁合金中沉淀相和少量雜質(zhì)之間的特征相互作用。（a）高分辨率HAADF-STEM圖像顯示了Sn添加的Al-Mg-Si合金中含有Sn的復(fù)合β‘/β “相，元素映射證實(shí)了這一點(diǎn)[832]。右側(cè)顯示的生成能計(jì)算結(jié)果表明，Sn取代了Si在β’中的位置。（b）原子探針層析（APT）元素濃度等表面結(jié)果顯示添加Cd的6082合金中析出相的分布[834]。

圖50 混合鋁合金中沉淀相與另一相或外來(lái)溶質(zhì)之間的特征相互作用

圖52。兩種6061-T6合金在不同時(shí)效時(shí)間（4小時(shí)和6小時(shí)）下的斷口形貌。兩種斷裂機(jī)制均為穿晶斷裂。酒窩對(duì)應(yīng)的是破碎的Mg2Si析出物

圖65。1xxx和8xxx變形鋁合金的拉伸性能比較。根據(jù)圖64中的評(píng)價(jià)，指出了性能對(duì)不定期元素污染最敏感的合金

圖47 鋁合金中多尺度元素偏析的示意圖。

圖60 概述缺陷和沉淀物處污染元素潛在捕獲位置的示意圖。還包括污染元素對(duì)宏觀性能的影響。

綜上所述，本文回顧了通過(guò)向更循環(huán)的材料回收和再利用系統(tǒng)過(guò)渡，使鋁合金更具可持續(xù)性所涉及的最新技術(shù)和科學(xué)挑戰(zhàn)。其動(dòng)機(jī)是一次合成和二次合成（即回收）在能源消耗、溫室氣體排放以及與采礦和副產(chǎn)品管理相關(guān)的環(huán)境污染方面存在巨大差異。熔化廢鋁所需的能量是減少礦石所需能量的5%，這一差異在開(kāi)采的地方轉(zhuǎn)化為減少二氧化碳排放。據(jù)估計(jì)，到2050年，可用鋁廢料的數(shù)量也將翻一番，這表明了這一主題的緊迫性。

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