La chatarra de metal se puede transformar y mejorar directamente en aleaciones de alto rendimiento y valor sin la necesidad de procesos de fusión convencionales, según un nuevo estudio realizado por investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía.
El estudio de investigación, publicado esta semana en la revista Comunicaciones de la naturalezademuestra que la chatarra de aluminio procedente de flujos de residuos industriales puede producir aleaciones metálicas de alto rendimiento. El aluminio reciclado tiene un rendimiento similar al de materiales idénticos producidos a partir de aluminio primario, lo que indica que este enfoque puede proporcionar una vía de bajo costo para llevar al mercado más productos metálicos reciclados de alta calidad. Al convertir los desechos en productos de aluminio de alto rendimiento, el nuevo método, llamado aleación en fase sólida, no sólo mejora las propiedades del material sino que también contribuye a la sostenibilidad ambiental.
«La novedad de nuestro trabajo aquí es que al agregar una cantidad precisa de elementos metálicos a la mezcla con virutas de aluminio como precursor, se puede transformar un residuo de bajo costo en un producto de alto costo», dijo Xiao Li. científico de materiales del PNNL y autor principal del estudio de investigación. «Hacemos esto en un solo paso, donde todo se mezcla en cinco minutos o menos».
El innovador proceso de aleación en fase sólida convierte chatarra de aluminio mezclada con cobre, zinc y magnesio en un producto de aleación de aluminio de alta resistencia diseñado con precisión en cuestión de minutos, en comparación con los días necesarios para producir el mismo producto utilizando fusión, fundición y extrusión convencionales. El equipo de investigación utilizó una técnica patentada por PNNL llamada Procesamiento y extrusión asistidos por cizallamiento, o ShAPE, para lograr sus resultados. Sin embargo, los investigadores señalaron que los hallazgos deberían ser reproducibles con otros procesos de fabricación en fase sólida.
Dentro del proceso ShAPE, un troquel giratorio de alta velocidad crea fricción y calor que dispersa los ingredientes iniciales en trozos en una aleación uniforme con las mismas características que un producto forjado de aluminio recién fabricado. El enfoque en fase sólida elimina la necesidad de una fusión en masa que consume mucha energía, lo que, combinado con las materias primas de bajo costo provenientes de la chatarra, tiene el potencial de reducir drásticamente el costo de fabricación de estos materiales. Para los consumidores, esto significa que los productos de aluminio reciclado tendrán una vida útil más larga y un mejor rendimiento a un costo menor, ya sean parte de un vehículo, un material de construcción o un electrodoméstico.
Aleación de metal que es fuerte hasta el núcleo.
El equipo científico utilizó pruebas mecánicas e imágenes avanzadas para examinar la estructura interna de los materiales reciclados producidos mediante aleación en fase sólida. Sus resultados mostraron que la aleación reciclada ShAPE imparte una nanoestructura única a nivel atómico. Durante ShAPE, se forman características a escala atómica llamadas zonas de Guinier-Preston dentro de la aleación. Es bien sabido que estas características mejoran la resistencia de las aleaciones metálicas. En comparación con el aluminio reciclado convencional, la aleación reciclada es un 200 por ciento más fuerte y tiene una mayor resistencia a la tracción. Estas características podrían traducirse en productos más duraderos y de mejor rendimiento para los consumidores.
«Nuestra capacidad para reciclar chatarra es apasionante, pero lo que más me entusiasma de esta investigación es que la aleación en fase sólida no se limita sólo a aleaciones de aluminio y materias primas chatarra», afirmó Cindy Powell, directora de ciencia y tecnología de energía y ambiente en PNNL y coautor de este estudio. «La aleación en fase sólida es teóricamente aplicable a cualquier combinación de metales que se pueda imaginar, y el hecho de que la fabricación se produzca íntegramente en estado sólido significa que se pueden empezar a considerar aleaciones totalmente nuevas que no hemos podido fabricar antes».
El proceso de aleación en fase sólida podría usarse para crear aleaciones de alambre metálico personalizadas para diversas tecnologías de impresión 3D, dijo Li. Por ejemplo, la fabricación aditiva por arco de alambre, o «WAAM», se utiliza para imprimir o reparar piezas metálicas en 3D. En este proceso, un rollo de alambre se introduce en un soplete de soldadura robótico, que lo funde para construir piezas 3D.
«Es difícil obtener alambres de alimentación con composiciones personalizadas para la fabricación aditiva basada en alambre», dijo Li. «La aleación en fase sólida es una forma fantástica de producir aleaciones personalizadas con composiciones exactas, como 2 por ciento de cobre o 5 por ciento de cobre».
El estudio de investigación fue apoyado por el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio del PNNL, como parte de la Iniciativa Científica de Procesamiento en Fase Sólida. Los investigadores del PNNL Tianhao Wang, Zehao Li, Tingkun Liu, Xiang Wang, Arun Devaraj, Cindy Powell y Jorge F. dos Santos también contribuyeron a la investigación.
