Команда из Национальной лаборатории Ок-Ридж при Министерстве энергетики работала с отраслевыми партнерами для проведения испытания, в ходе которого выяснялось, выдерживает ли высокоэффективный сплав, который является многообещающим для автомобильного применения, нагревание и напряжение двигателя внутреннего сгорания.«Этот подвиг был первым для источника нейтронов расщепления», — сказал Ке Ан, ведущий научный сотрудник лаборатории VULCAN. «Это был первый раз, когда двигатель внутреннего сгорания был запущен на нашем дифрактометре и, насколько нам известно, на любом другом», — заявил он.Уникальные свойства нейтронов позволяют им проникать в материалы неразрушающим образом, раскрывая фундаментальные детали атомной структуры материала.
VULCAN использует нейтроны для измерения деформации и напряжения на больших промышленных образцах, что сделало его идеальным для оценки отливки головки блока цилиндров из алюминиево-цериевого сплава ORNL, разработанного в партнерстве с Eck Industries.Эксперимент возглавил специалист по материалам ORNL Орландо Риос, который через Институт критических материалов исследовал использование церия в качестве упрочняющего агента для алюминиевых сплавов.«Наш эксперимент подтвердил, что наш сплав превосходит другие алюминиевые сплавы при повышенных температурах», — сказал Риос.
«Автомобильная промышленность в настоящее время заинтересована в сплавах, которые могут удовлетворить высокие требования к теплу в новых энергоэффективных технологиях», — пояснил он. «Наш алюминиево-цериевый состав демонстрирует исключительную стабильность при температурах выше 500 градусов по Цельсию [932 градусов по Фаренгейту], что неслыханно для алюминиевых сплавов».Лейтенант Эрик Стромм, научный сотрудник компании Navy Tours, участвовавший в проекте, добавил: «Благодаря алюминиевому сплаву, устойчивому при высоких температурах, двигатели могут работать более горячо, а компоненты можно сделать легче, что повысит эффективность и экономию топлива».
С помощью коллег из производственного демонстрационного центра ORNL и Национального центра транспортных исследований команда Риоса отлила головку блока цилиндров из алюминия и керамики, используя трехмерные печатные формы из песка, и модернизировала компонент для прототипа двигателя, разработанного специально для VULCAN.В течение трехдневного эксперимента — с остановкой и перезапуском двигателя с помощью дистанционного зажигания из диспетчерской VULCAN — нейтронная дифракция позволила исследователям «увидеть» высокотемпературную стабильность Al-Ce во время рабочего режима двигателя.
Во время внутреннего сгорания материалы испытывают сложные нагрузки и экстремальные температуры, поэтому исследователи хотели измерить характеристики материала в реальных условиях эксплуатации.«Мы действительно испытали двигатель. Это был, вероятно, самый громкий эксперимент, который проводился в SNS», — отметил Риос, который работал над проектом с постдоком ORNL Майклом Кеслером и научным сотрудником Центра Бредесена Университета Теннесси Закари Симсом.«Вся команда была впечатлена качеством данных от VULCAN, особенно с учетом того, что нейтроны должны были пройти через всю конструкцию двигателя, прежде чем их заметили наши детекторы, чтобы предоставить информацию о головке блока цилиндров в работе», — сказал Риос. «Это действительно замечательно».
Он добавил: «То, что мы достигли, является доказательством концепции, чтобы доказать осуществимость и ценность такого рода экспериментов».Ан отметил эффективность межотраслевого сотрудничества между ORNL и отраслевыми партнерами для поддержки этих усилий. В настоящее время он работает над оптимизацией процесса для будущих пользователей VULCAN.
«Это был фундаментальный эксперимент, призванный не только лучше понять этот сплав, но и предоставить более широкий анализ, который позволит обрабатывать таким образом новые сплавы, а не только соединения алюминия», — сказал Риос. «Эксперимент демонстрирует преимущества сочетания фундаментальной науки с ранними исследованиями и разработкой новых материалов и технологий. Мы надеемся, что то, что мы узнаем в ходе этого эксперимента, может быть применено ко многим другим материалам в широком диапазоне приложений».