高强度铝废料的固相回收与再利用研究

来自 实验室仪器网

研究人员介绍了一种同时进行固相回收和合金化的方法，以解决传统通过熔炼回收合金的局限性。该技术用于将6063铝废料与Cu、Zn和Mg合金化，生产出一种性能与7075铝合金相当的纳米团簇强化铝合金。发表在《自然通讯》上。

铝是使用最广泛的有色金属，其生产占全球温室气体排放量的3%，这主要是由于能源密集型的Hall-Héroult原铝制造工艺。回收铝废料可显著减少排放，但废料中的杂质通常需要添加原铝进行净化。传统的再生铝生产也涉及能源密集型工艺。

摩擦挤压是一种固相技术，最初是为金属基复合材料开发的，现在已成为一种有前途的替代技术。它能提高能源效率，生产出具有均匀分散的二次相的材料。这项研究利用摩擦挤压在一个步骤中同时回收和合金化铝废料，从而创造出一种高性能材料。

研究原料包括6063铝合金废料、锌粉、铜粉和ZK60Mg合金带。摩擦挤压模具由H-13工具钢制成，模具表面有螺旋槽，便于材料流入5毫米挤压孔。

制造了两种类型的产品：

回收合金：6063废料经过冷压和摩擦挤压成无空隙的棒。升级合金：在类似条件下对6063废料和合金元素进行摩擦挤压，生产出成分与7075铝合金相当的无空隙棒。

根据标准7075铝合金与6063废料化学成分差异，确定回收产品合金元素配比，并采用光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和三维原子探针（3DAP）分析方法对回收产品的微观组织进行分析。

使用维氏显微硬度计评估材料硬度，负载为200克，停留时间为12秒。在机械试验机上进行拉伸试验以评估变形应变。

升级合金表现出明显的晶粒细化，平均晶粒尺寸为7.7µm，而回收合金的平均晶粒尺寸为43.1µm。这种细化归因于升级过程中较低的挤压温度。应力-应变曲线显示，与回收材料相比，升级合金的产量和极限抗拉强度提高了200%以上。

微观结构分析确定了升级再造材料中的四个加工区：A区：未加工的废料和合金添加物。B区：过渡区。C区：已加工区域。D区：挤压棒。

随着升级材料从A区进入D区，合金元素（Cu、Zn和Mg）在整个微观结构中的分布变得更加均匀。在摩擦挤压过程中，这些元素被纳入铝基体，而铝废料则被压实到挤压件中。

XRD分析表明，Mg2Si是回收材料中的主要沉淀相。相比之下，升级材料除了Mg2Si外还含有η′/Mg(CuZn)2。TEM图像进一步显示，新相包括非晶态Mg(ZnCu)和结晶态Mg(ZnCu)，结晶态η′相/Mg(CuZn)2嵌入非晶态相中。这些发现证实，在升级过程中发生了固相合金化。

研究人员采用单步固相合金化工艺，将6063废料与Cu、Zn和Mg进行升级再造，成功合成了一种高性能铝合金。升级再造产品的屈服强度和极限抗拉强度比回收材料高出200%以上，这主要是由于Guinier-Preston(GP)区的形成。

该方法表明，低强度、低成本的铝废料可以通过可扩展的固相加工（如摩擦挤压）转化为高强度、高价值的铝合金产品，而无需熔化前体材料。这种方法降低了金属生产的能源需求和环境影响，并能够制造出无法通过传统熔体技术生产的新型合金。

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