更轻的汽车可以用更少的能源行驶更远，因此推动了对更轻汽车部件的需求。高性能铝合金，如合金 7075，是最轻和最强的选择之一，但它们需要能源密集型生产，这会提高成本。

现在，太平洋西北国家实验室 (PNNL) 的研究人员表明，他们的剪切辅助加工和挤压 (Shape) 技术可以消除生产过程中的热处理步骤，从而显着节省能源并减少排放。该研究发表在《材料与设计》杂志上。

传统的金属生产需要热处理将单个金属和合金元素（例如铝、铜或镁）熔化在一起，以制造更轻、更强或更容易形成的合金。如果这些元素没有充分混合，则在加工过程中可能会形成裂缝和断裂，从而影响最终产品的性能。在金属生产中，热量用于确保合金中的各个金属元素在称为均质化的步骤中充分混合。

在均质化过程中，称为钢坯的大型金属铸件被加热到接近 500 摄氏度（约 900 华氏度）长达 24 小时。该热处理步骤溶解钢坯中的合金聚集体，以确保所有金属元素均匀分布或均质化。这提高了最终产品的性能。均质化后，金属棒在称为挤压的步骤中进一步加热和成型。

PNNL 的 ShAPE 工艺使用机器旋转坯料或块状金属合金，通过摩擦产生足够的热量来软化材料，因此可以很容易地通过模具挤出形成管、棒和通道。在传统工艺中，同时产生的线性力和旋转力仅使用推动材料通过模具所需的力的 10%。

PNNL 研究人员现发现，ShAPE 机器通过结合加热和变形（金属本身形状的变化）消除了单独的均质化和挤压步骤的需要。在 ShAPE 机器中，金属坯料同时被推过旋转模具中的一个小开口。旋转运动和变形在金属元件被挤压时彻底混合。从本质上讲，ShAPE 工艺可以在几秒钟内均匀化金属坯料，就在它被挤压之前。这消除了对长达一天的预热均化步骤的需要，并且意味着在挤压过程中无需使用额外的能量来加热坯料。总之，使用 ShAPE 可节省高达 50% 的能源。

ShAPE 不仅是一种更节能、更快速的工艺，而且还提高了各个合金元素的混合程度，从而产生更好的最终产品。性能测试表明，用 ShAPE 处理的铝合金制成的部件的强度和伸长率超过了美国测试和材料协会的现行标准。

(a) ShAPE 工艺和 (b) 挤压后残余坯料中相应材料响应的示意图（纵向视图）

最高性能的铝合金制造起来既费时又耗能，新工艺使其在许多市场（例如乘用车应用）中脱颖而出。ShAPE 工艺通过显着降低制造过程中的能源消耗和温室气体排放，消除了生产高性能铝合金的主要障碍。

这项研究得到了能源部先进制造办公室的支持，并使用由 BOND Technologies, Inc. 制造的专用 ShAPE 机器进行。ShAPE 工艺、工具和技术可用于许可。获 取 更多前沿科技 研究 进展访问：https://byteclicks.com

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