Dans une expérience unique en son genre, les chercheurs ont utilisé des neutrons pour étudier les performances d'un nouvel alliage d'aluminium dans un moteur à essence pendant que le moteur tournait.

Une équipe du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie a travaillé avec des partenaires de l'industrie pour effectuer le test, qui a examiné si un alliage hautes performances prometteur pour les applications automobiles résistait à la chaleur et aux contraintes d'un moteur à combustion interne.

L'exploit était une première pour la source de neutrons de spallation, dit Ke An, scientifique principal des instruments pour l'instrument VULCAN de l'installation. "C'était la première fois qu'un moteur à combustion interne fonctionnait sur notre diffractomètre, et, pour autant que nous sachions, sur tout autre, " il a déclaré.

Les propriétés uniques des neutrons leur permettent de pénétrer les matériaux de manière non destructive, révélant des détails fondamentaux sur la structure atomique d'un matériau. VULCAN utilise des neutrons pour mesurer la déformation et le stress sur de grands échantillons industriels, ce qui le rendait idéal pour évaluer une culasse coulée à partir d'un alliage aluminium-cérium ORNL développé en partenariat avec Eck Industries.

Orlando Rios, scientifique des matériaux de l'ORNL, qui a travaillé à travers le Critical Materials Institute pour explorer l'utilisation du cérium comme agent de renforcement pour les alliages d'aluminium, a mené l'expérience.

"Notre expérience a confirmé que notre alliage surpasse les autres alliages d'aluminium à des températures élevées, " dit Rios.

« L'industrie automobile s'intéresse actuellement aux alliages capables de résister aux exigences thermiques élevées des nouveaux, technologies économes en énergie, " il a expliqué. " Notre composition aluminium-cérium montre une stabilité exceptionnelle à des températures supérieures à 500 degrés Celsius [932 degrés Fahrenheit], ce qui est du jamais vu pour les alliages d'aluminium."

Lieutenant Eric Stromme, un Navy Tours with Industry Fellow qui a participé au projet, ajoutée, "Avec un alliage d'aluminium stable à haute température, les moteurs pourraient chauffer plus, et les composants pourraient être allégés, augmenter l'efficacité et l'économie de carburant.

Aidé par des collègues de l'installation de démonstration de fabrication de l'ORNL et du National Transportation Research Center, L'équipe de Rios a coulé la culasse Al-Ce à l'aide de moules en sable imprimés en 3D et a adapté le composant à un prototype de moteur conçu spécifiquement pour VULCAN.

Au cours de l'expérience de trois jours – avec l'arrêt et le redémarrage du moteur via un allumage à distance depuis la salle de contrôle de VULCAN – la diffraction des neutrons a permis aux chercheurs de « voir » la stabilité à haute température de l'Al-Ce pendant le régime de fonctionnement du moteur.

Les matériaux subissent des forces complexes et des températures extrêmes lors de la combustion interne, les chercheurs ont donc voulu mesurer les performances des matériaux dans des conditions de fonctionnement réelles.

"Nous avons vraiment mis le moteur à l'épreuve. C'était probablement l'expérience la plus bruyante à avoir eu lieu chez SNS, " a noté Rios, qui a travaillé sur le projet avec le postdoctorant ORNL Michael Kesler et le boursier du Centre Bredesen de l'Université du Tennessee Zachary Sims.

« Toute l'équipe a été impressionnée par la qualité des données de VULCAN, d'autant plus que les neutrons devaient traverser toute une structure moteur avant d'être observés par nos détecteurs pour fournir des informations sur la culasse en fonctionnement, " dit Rios. " C'est vraiment remarquable. "

Un ajouté, "Ce que nous avons accompli est une preuve de concept pour prouver la faisabilité et la valeur de ce type d'expérience."

An a noté l'efficacité de la collaboration interdisciplinaire entre l'ORNL et les partenaires de l'industrie pour soutenir l'effort. Il travaille actuellement à rationaliser le processus pour les futurs utilisateurs de VULCAN.

"C'était une expérience fondamentale non seulement pour mieux comprendre cet alliage, mais aussi pour fournir une analyse plus large qui permettra de nouveaux alliages, non seulement des composés d'aluminium, être traité de cette manière, " Rios a déclaré. " L'expérience démontre les avantages de coupler la science fondamentale avec la recherche et le développement à un stade précoce de nouveaux matériaux et technologies. Nous espérons que ce que nous apprenons grâce à cette expérience pourra être appliqué à de nombreux autres matériaux dans un large éventail d'applications."

Cette recherche a été parrainée par le DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy via le Critical Materials Institute, un pôle d'innovation énergétique du DOE, avec un financement supplémentaire du DOE Office of Science. Les partenaires comprennent le laboratoire national Ames, ORNL, Laboratoire national Lawrence Livermore, Laboratoire national de l'Idaho, et Eck Industries. La Division Science et Technologie des Matériaux de l'ORNL a mené l'expérience en collaboration avec le Manufacturing Demonstration Facility, Centre national de recherche sur les transports, et l'équipe d'instruments VULCAN.