In een eerste experiment, onderzoekers gebruikten neutronen om de prestaties van een nieuwe aluminiumlegering in een benzinemotor te onderzoeken - terwijl de motor draaide.

Een team van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy werkte samen met industriële partners om de test uit te voeren. waarin werd gekeken of een hoogwaardige legering die veelbelovend is voor autotoepassingen, stand hield onder de hitte en stress van een verbrandingsmotor.

De prestatie was een primeur voor de Spallation Neutron Source, zei Ke An, hoofdinstrumentwetenschapper voor het VULCAN-instrument van de faciliteit. "Dit was de eerste keer dat een verbrandingsmotor op onze diffractometer werd gebruikt, en, zo ver we weten, op een andere, " hij beweerde.

Door de unieke eigenschappen van neutronen kunnen ze materialen op een niet-destructieve manier binnendringen, onthullende fundamentele details over de atomaire structuur van een materiaal. VULCAN gebruikt neutronen om spanning en spanning op grote industriële monsters te meten, waardoor het ideaal was voor het evalueren van een cilinderkop gegoten uit een aluminium-ceriumlegering ORNL ontwikkeld in samenwerking met Eck Industries.

ORNL materiaalwetenschapper Orlando Rios, die via het Critical Materials Institute heeft gewerkt om het gebruik van cerium als versterkingsmiddel voor aluminiumlegeringen te onderzoeken, leidde het experiment.

"Ons experiment bevestigde dat onze legering beter presteert dan andere aluminiumlegeringen bij verhoogde temperaturen, ' zei Rios.

"De auto-industrie is momenteel geïnteresseerd in legeringen die bestand zijn tegen de hoge warmte-eisen van nieuwe, energiezuinige technologieën, " legde hij uit. "Onze aluminium-ceriumsamenstelling vertoont uitzonderlijke stabiliteit bij temperaturen boven 500 graden Celsius [932 graden Fahrenheit], wat ongehoord is voor aluminiumlegeringen."

Luitenant Eric Stromme, een Navy Tours met Industry Fellow die assisteerde bij het project, toegevoegd, "Met een aluminiumlegering die stabiel is bij hoge temperaturen, motoren kunnen heter worden, en componenten kunnen lichter worden gemaakt, het verhogen van de efficiëntie en het brandstofverbruik."

Geholpen door collega's van ORNL's Manufacturing Demonstration Facility en het National Transportation Research Center, Het team van Rios goot de Al-Ce-cilinderkop met behulp van 3D-geprinte zandvormen en monteerde het onderdeel achteraf in een prototypemotor die speciaal voor VULCAN is ontworpen.

Tijdens het driedaagse experiment - waarbij de motor stopte en opnieuw startte via een externe ontsteking vanuit de controlekamer van VULCAN - stelde neutronendiffractie de onderzoekers in staat om de stabiliteit bij hoge temperatuur van Al-Ce tijdens het bedrijfsregime van de motor te "zien".

Materialen ervaren complexe krachten en extreme temperaturen tijdens interne verbranding, dus wilden de onderzoekers de materiaalprestaties meten tijdens werkelijke bedrijfsomstandigheden.

"We hebben de motor echt op de proef gesteld. Het was waarschijnlijk het luidste experiment dat bij SNS plaatsvond, " merkte Rios op, die aan het project werkte met ORNL-postdoc Michael Kesler en University of Tennessee Bredesen Center Fellow Zachary Sims.

"Het hele team was onder de indruk van de kwaliteit van de gegevens van VULCAN, vooral gezien het feit dat de neutronen door een hele motorstructuur moesten reizen voordat ze door onze detectoren werden waargenomen om informatie te verstrekken over de cilinderkop op het werk, "Zei Rios. "Dat is echt opmerkelijk."

Een toegevoegde, "Wat we hebben bereikt, is een proof-of-concept om de haalbaarheid en waarde van dit soort experimenten te bewijzen."

An merkte de effectiviteit op van de samenwerking over disciplines heen tussen ORNL en industriepartners om de inspanning te ondersteunen. Hij werkt momenteel aan het stroomlijnen van het proces voor toekomstige VULCAN-gebruikers.

"Dit was een fundamenteel experiment, niet alleen om deze legering beter te begrijpen, maar ook om een ​​bredere analyse te geven die nieuwe legeringen mogelijk maakt, niet alleen aluminiumverbindingen, op deze manier worden verwerkt, " zei Rios. "Het experiment toont de voordelen aan van het koppelen van fundamentele wetenschap aan onderzoek in een vroeg stadium en ontwikkeling van nieuwe materialen en technologieën. We hopen dat wat we door dit experiment leren, kan worden toegepast op veel andere materialen in een breed scala aan toepassingen."

Dit onderzoek werd gesponsord door het DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy via het Critical Materials Institute, een DOE Energy Innovation Hub, met aanvullende financiering van het DOE Office of Science. Partners zijn onder meer Ames National Laboratory, ORNL, Lawrence Livermore Nationaal Laboratorium, Idaho Nationaal Laboratorium, en Eck Industries. De Materials Science and Technology Division van ORNL leidde het experiment in samenwerking met de Manufacturing Demonstration Facility, Nationaal onderzoekscentrum voor vervoer, en het VULCAN instrumententeam.