《Materials & Design》：Innovative SolidStir extrusion for energy-efficient metal recycling
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金属回收对于绿色制造至关重要，然而传统路径仍然具有能耗高和流程复杂的特点。降低金属制造的碳足迹需要开发更绿色、更高效的回收方法。本研究引入固态搅拌挤压（SolidStir? Extrusion, SSE）作为一种基于摩擦搅拌的能量高效工艺，用于将AlSi10M
金属回收对于绿色制造至关重要，然而传统路径仍然具有能耗高和流程复杂的特点。降低金属制造的碳足迹需要开发更绿色、更高效的回收方法。本研究引入固态搅拌挤压（SolidStir? Extrusion, SSE）作为一种基于摩擦搅拌的能量高效工艺，用于将AlSi10Mg废弃物直接回收为全致密、无缺陷的棒材。微观结构分析表明，挤压材完全致密，具有细小、等轴的晶粒（2.43 μm ± 1.5 μm）以及均匀分布的富硅（Si-rich）颗粒，从而提升了力学性能。挤压态材料的屈服强度为140 MPa，延伸率为26%。时效处理使屈服强度提高至239 MPa，极限抗拉强度达到346 MPa，同时保持19%的延伸率。研究人员通过分析工艺动力学和机械功来评估SSE的能量效率和可持续性。能量流分析表明，相较于传统的基于挤压的回收方法，SSE具有更高的能量效率。该研究展示了一条固态金属再利用路径，能够将铝废料直接转化为高性能产品，支持循环制造目标。
## 研究背景与问题
金属材料是现代经济不可或缺的基础，因其韧性、耐腐蚀性、热导率和电导率以及可回收性而成为结构应用的首选。其中，铝由于具有高比强度和广泛的跨领域应用而尤为重要。全球铝产业价值约1450亿美元，年产量约达1亿吨。然而，原铝生产能耗极高，因此回收和闭环材料回收对可持续制造至关重要。尽管铝的回收率已较高（交通和建筑领域达约90%，饮料罐约70%），且铝可在保持合金化学成分的前提下反复回收而不显著损失性能，但传统回收路径主要依赖熔炼，包含收集、分选、处理、熔炼、提纯、凝固和后续成形等多个步骤。这些工艺链能耗高、操作复杂，且易因熔化和再凝固过程产生氧化物缺陷、孔隙和成分变化。铸态回收产品常需额外的热机械加工来消除缺陷、恢复力学性能并实现最终几何形状。从生命周期角度看，可持续性评估必须涵盖原材料生产、报废回收和再加工能力。循环经济策略日益强调从摇篮到大门的方法，推动开发最小化能耗和材料损失的回收技术。在此背景下，固态回收方法具有吸引力，因为它们可以避免熔炼相关的损失和排放，同时将切屑和碎屑直接固结为致密产品。包括热挤压、螺旋挤压、等通道角挤压、高压扭转和放电等离子烧结在内的多种固态方法已证明可实现基于切屑原料的近似全致密化。2020年开发的SolidStir?技术（美国专利号11691201）由Enabled Engineering公司开发，可采用两种模式：固态搅拌挤压（SSE）和固态搅拌增材制造。SSE通过非消耗性旋转工具与原料之间的剧烈剪切变形和摩擦热实现塑化、固结和连接而不熔化。该研究旨在利用SSE实现AlSi10Mg废料连续回收为全固结挤压材，表征所得微观结构和力学性能以建立结构性能基准，并量化工艺能耗以评估效率，将SSE定位为能量高效的固态回收路径。
## 关键技术方法
研究人员以激光粉末床熔融（LPBF）增材制造过程产生的AlSi10Mg废弃支撑结构作为原料，经冷压后在SolidStir? Ex550Core系统（Enabled Engineering LLC）上进行SSE处理，工艺参数为800 rev/min主轴转速、150 mm/min进给速率和1 mm工具偏移量。微观表征采用ThermoFisher Scientific Apreo-2S扫描电子显微镜（SEM）及电子背散射衍射（EBSD）探测器，使用EDAX APEX和TSL OIM Analysis? 8软件进行数据采集与分析。挤压材在165 °C时效8小时后空冷。拉伸试验在定制的微型拉伸机上进行，初始应变速率为10?3 s?1。能量消耗计算基于稳态工艺信号（扭矩和力），通过主轴功率和驱动器功率求和获得总能量消耗。
## 研究结果
### 微观结构表征
回收棒材呈现出类似锻态的微观结构。SEM显微图像显示均匀分散的富Si颗粒（白色颗粒），EDS图谱显示Al基体（蓝色）中含有以固溶态分布的Mg（红色）。与铸态AlSi10Mg中Si颗粒的针状形态以及增材制造AlSi10Mg中富Si共晶网络不同，SSE导致了Si-rich颗粒的破碎和均匀分散。挤压材横截面中心、中间和边缘区域的晶粒尺寸分别为3.9 ± 2 μm、4.5 ± 2 μm和6.6 ± 5.5 μm；纵截面相应区域为4.0 ± 1.5 μm、4.1 ± 1.4 μm和5.0 ± 3 μm。这种细小等轴晶粒的形成主要归因于动态再结晶（Dynamic Recrystallization, DRX），其中连续动态再结晶占主导地位，局部区域可能存在不连续动态再结晶。富Si颗粒的破碎和氧化膜的分裂阻碍了晶界迁移，抑制了晶粒粗化。
### 力学性能
挤压态棒材屈服强度为140 ± 7 MPa，极限抗拉强度为215 ± 10 MPa，均匀延伸率14.9 ± 2%，总延伸率26 ± 3%。165 °C时效8小时后，屈服强度和极限抗拉强度分别提升至239 ± 15 MPa和346 ± 8 MPa，增幅约60%和47%，同时保持10.2 ± 4%均匀延伸率和19 ± 5%总延伸率。断裂表面呈现韧窝形貌，为典型的微孔形核与聚合控制的韧性断裂。冷压坯料绿密度为2.21 g/cm3（约理论密度2.67 g/cm3的82%），而挤压材密度达2.60 g/cm3，与常规加工AlSi10Mg相当，表明SSE可有效实现致密化。时效后性能符合ASTM F3318-18标准对增材制造AlSi10Mg T6态的要求（屈服强度≥207 MPa，极限抗拉强度≥345 MPa，延伸率≥5%）。
### 工艺动力学与能量计算
工艺信号可分为三个区域：初始接触区（扭矩和锻压力的瞬态尖峰）、稳态挤压区（稳定的扭矩和力值）和收尾区（原料耗尽时载荷迅速衰减）。稳态有效主轴扭矩、锻压力和进给力分别为24 Nm、11.8 kN和2.2 kN。主轴功率消耗为1.5 kW，驱动器功率为5 W，挤出10 g原料的总能量消耗为27.8 kJ，即比能量消耗（Specific Energy Consumption, SEC）为2.8 kJ/g。
## 讨论、研究结论与意义
### 能量效率与可持续性
研究人员通过概念性桑基图（Sankey diagram）对比了常规挤压和SSE的能量消耗与损失路径。常规挤压需要外部加热坯料和模具，存在大量辐射和对流热损失、机械摩擦损失、传动损失以及设备空转损失。当前铝挤压典型比能量消耗为6.8 kJ/g，即使应用全部研发技术的实践最小值也为3.4 kJ/g，加上熔炼能耗1.8 kJ/g，传统路径总能耗达8.6 kJ/g（典型）或5.2 kJ/g（实践最小）。SSE由于采用点需求式（point-of-need）摩擦加热，消除了外部加热需求，减少了热损失，且连续进料系统降低了空转时间。计算表明，SSE相比熔炼加典型挤压路径节能68%，相比熔炼加实践最小挤压节能47%；即使仅与挤压能耗相比，也可节省59%（对比典型值）和19%（对比实践最小值）。SSE的能量效率优势源于：原位局部摩擦生热、可控塑性变形、精确的过程窗口调节能力（通过主轴转速和进给速率调控热机械 severity），以及更低的操作能耗。
### 回收材料性能定位
SSE将废料固结为具有细化再结晶晶粒和均匀富Si颗粒分散的锻态产品，优于涉及重熔和铸造的其他回收路径。在室温极限抗拉强度-延伸率图中，挤压态回收AlSi10Mg处于中等强度锻态铝合金区域，延伸率高于铸态或增材制造AlSi10Mg；时效处理后向更高强度区域移动，接近沉淀强化6xxx系合金性能包络，同时保持合理延伸率。这种有利的性能-能量效率平衡支持固态挤压作为升级回收铝合金用于结构应用的有效途径。
### 研究结论
该研究证明了SSE作为可行固态回收路径的可行性，通过消除熔炼并将多道加工整合为单步热机械工艺，可降低能耗和加工成本。主要结论如下：SSE成功将铝加工废料转化为连续全致密挤压材；微观结构表征证实全致密（密度2.60 g/cm3）、细化的再结晶等轴晶结构（平均晶粒尺寸4–6 μm）以及分散的富Si颗粒；回收挤压材挤压态屈服强度140 MPa、延伸率26%，时效后屈服强度239 MPa、极限抗拉强度346 MPa、延伸率19%，达到锻态铝合金性能水平；基于稳态工艺信号的能量分析显示比能量消耗为2.8 kJ/g，相比常规挤压基线（6.8 kJ/g典型值，3.4 kJ/g实践最小值）分别降低59%和19%，若计入熔炼能耗则分别节能68%和47%。SSE通过局部摩擦生热、优化材料流动、更高操作效率和减少能量损失显著增强工艺性能。
该论文发表于《Materials》。
