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11家單位！1254篇參考文獻！德國馬普所&中南大學等在“再生鋁”領域發表重磅頂刊綜述（IF=39.58）

2022-04-18 16:07:36 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：在可持續性方面，鋁雖然密度低，有助于節約燃料，但從礦石中生產它是非常耗能的。從廢料中熔化鋁所需的能量僅為還原礦石所需能量的5%左右，所以對其進行回收利用擁有更高的可持續性。據估計，到2050年，可回收利用的鋁數量將翻一倍，這提供了一個讓冶金部門更接近循環經濟的機會。本文討論了廢料相關雜質對沉淀反應熱力學和動力學的影響及其機械和電化學效應；雜質對晶界無沉淀區的影響；它們對鑄件組織的影響；通過調整工藝參數和相關的機械性能、功能性能和化學性能提出了各種可能性。目標是促進鋁合金的設計和生產，使其具有盡可能高的廢品率，即使是低質量的廢品和廢品類型，在回收時也只能與少數目標合金匹配。

在更可持續的合金設計策略中，必須考慮到大量的廢料被消費后，含有高水平的元素污染。“綠色鋁”趨勢已經在倫敦金屬交易所（London Metal Exchange, 2020）引發了一個低碳鋁的新交易平臺。這一趨勢可能會限制在未來產品中使用非可持續材料。從初級合成（礦石還原）到次級合成（廢料熔化）的轉變需要更好地了解與廢料有關的多種污染物元素是如何作用于鋁合金的，以及未來的合金如何預先設計成具有廢料兼容性和成分容錯性。

在此，德國馬普所聯合、英國帝國理工學院、維也納科技大學、曼徹斯特大學、中國中南大學11所國內外頂尖機構回顧并評估了鋁回收背后的冶金機理，這里的關鍵挑戰是合金中雜質元素的大規模侵入和積累，包括不同元素的數量和濃度。這里出現了兩個主要任務。一是開發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元素，從而使其在更高雜質含量和更高成分可變性的條件下更加堅固。包括廢料相關污染物對沉淀反應熱力學和動力學的影響，以及它們的機械和電化學效應、晶界周圍無沉淀區、鑄造組織、調整工藝參數以及由此產生的機械、功能和化學性能。這將使合金適合最大限度地利用廢料。另一項任務是減少合金的數量及其化學復雜性，并盡可能通過微觀結構調整代替成分調整來實現一致的性能。相關研究成果以題“Making sustainable aluminum by recycling scrap: The science of ”dirty“ alloys”的綜述發表在國際著名期刊Progress in Materials Science上。

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

目前每年生產約1億噸鋁，？其中35%來自廢料，而？40%已經在制造鏈中報廢。說到可持續性，鋁是一種具有兩個方面的材料。一方面，由于其低質量密度（2.7 kg dm-3），它降低了產品和工藝的能耗，例如在輕型運輸、包裝和施工中。它還用于低電阻、低重量的導電，如37×106 A（Vm）-1，其導電率達到純銅的64%，質量約為純銅的3倍。另一方面，鋁也是最大的溫室氣體（GHG）生產原因之一，也是從礦石中生產的能源密集型工業金屬。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，鋁生產起到了重要作用，約占所有溫室氣體排放量的3%（工業部門總排放量的15%），每年約1.1 Gt二氧化碳當量。這意味著初級生產的鋁每生產一噸金屬產生約12-16.5噸溫室氣體。大約65%的排放是因為約67%的電解用電來自化石燃料。鋁生產需要？每年13 Exa J能量，即約占全球能源消耗總量的1%。在采礦和電解過程中，鋁的合成還會產生多種有害的副產品。由于人口的增長（以及中產階級的增長，現在約占總人口的一半）和人均鋁消費量的增加，這種影響正在加速，這是由交通、城市化、電氣化和制造業的幾個當前趨勢所驅動的。鋁生產在歷史上首次面臨可持續性限制（見圖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。先進的合金設計旨在通過內置的可回收性改進和開發合金，以實現最大限度的廢料兼容性和使用。平均而言，原鋁生產的隱含能值在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。它可以分離可能導致熔化問題的異物。粉碎和/或團聚也有利于運輸、儲存和充電。非金屬和金屬部件通過分類和分類相互分離。根據原材料的質量，有各種各樣的廢鋁處理技術。圖11示出了各種可能的處理選項和工作流。粉碎主要通過施加機械應力（張力、壓力、剪切、扭轉、彎曲、切割等）進行。

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程，并制定了分三個階段的分步過程。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理。添加氟化物會導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。發生的子步驟是熔鹽與氧化層的接觸；氯化物對氧化層的侵蝕；通過滲透液態鹽和分離相（液態鋁和氧化物顆粒）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 最重要的雜質元素Fe、Si和Mn的相圖截面和投影的富鋁區域。（a） Al-Fe-Si系統的富鋁側。（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 彎曲過程中，富鐵金屬間化合物顆粒帶出現裂紋。

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

圖39 擴散偶由兩種不同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）均質后的顯微照片。（右）不同處理步驟后的合成曲線。

圖 48。可時效硬化回收變形鋁合金的元素雷達圖，其中由于不同等級的鋁合金的混合以及從受污染的廢料中引入的雜質而與當前鋁合金的標準成分發生偏差

圖40 通過在不同Mg含量的Al-Cu-Li-Mg成分梯度合金自然時效期間進行的同時時間和空間分辨SAXS實驗獲得的納米級團簇和沉淀微觀結構的參數。

圖49。再生鋁合金中沉淀相和少量雜質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的復合β‘/β “相，元素映射證實了這一點[832]。右側顯示的生成能計算結果表明，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溶質之間的特征相互作用

圖52。兩種6061-T6合金在不同時效時間（4小時和6小時）下的斷口形貌。兩種斷裂機制均為穿晶斷裂。酒窩對應的是破碎的Mg2Si析出物

圖65。1xxx和8xxx變形鋁合金的拉伸性能比較。根據圖64中的評價，指出了性能對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。還包括污染元素對宏觀性能的影響。

綜上所述，本文回顧了通過向更循環的材料回收和再利用系統過渡，使鋁合金更具可持續性所涉及的最新技術和科學挑戰。其動機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品管理相關的環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%，這一差異在開采的地方轉化為減少二氧化碳排放。據估計，到2050年，可用鋁廢料的數量也將翻一番，這表明了這一主題的緊迫性。

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