Industryweek——材料工程的最新进展正在为寻找更可持续、更经济的替代品铺平道路。

在任何制造业会议上，都可能至少有一个关于可持续发展的小组。这些对话通常涉及排放、能源使用、供应链和回收。

材料科学是优化可持续性的一种被忽视的方式，特别是对于航空航天、汽车、医疗设备和奢侈品等高性能行业的制造商。这些应用通常使用含有稀土元素(ree)的合金，稀土元素对采矿和加工可能对环境有害。

稀土元素被包含在合金中并不仅仅是因为它们听起来很奇特——它们经常使部件具有必要的材料特性。减少或消除稀土元素大大减少了产品对环境的影响，通常也降低了材料成本。材料工程的数字化转型为开发无稀土材料创造了新的机会。

稀土元素如何让合金变得神奇

即使是非常少量的稀土元素也会对合金的性能产生重大影响。稀土元素有17种。一些最常见的合金应用包括镧(La)，铈(Ce)，钕(Nd)，镨(Pr)和钇(Y)。

通过与其他金属形成固溶体，某些稀土元素有效地提高了合金的力学性能，使其更耐变形。例如，在镁合金中加入少量的钕或镨，可以显著提高镁合金的强度和硬度。

此外，稀土元素可以提高合金的耐热性。钇以其高熔点和优异的热稳定性而闻名，可以加入合金中以增强其承受高温的能力。氧化钇由于其卓越的耐高温性能，可作为航空航天应用中钨合金部件的保护涂层。

合金的耐蚀性也可以通过加入某些稀土元素来提高。例如，铈被用于生产不锈钢合金，以提高其耐腐蚀性。少量的铈已被证明可以显著减少不锈钢中氯化物引起的应力腐蚀开裂。

稀土元素还可以细化金属合金的微观结构，从而改善其机械性能。作为晶粒细化剂，它们可以减小晶粒尺寸，从而提高某些合金的强度。这种精炼工艺广泛应用于铝合金中，其中镧和铈可以改善浇注性并增强合金的机械性能。

为什么稀土元素不是绿色的

尽管被称为“稀土元素”，但它们在地壳中的丰度并不一定罕见。然而，它们的分布往往是分散和不均匀的，这使得以经济上可行的数量提取它们具有挑战性。这种有限的可用性导致与勘探、开采和加工相关的成本增加。

稀土元素的提取和加工涉及复杂和昂贵的技术，因为它们的浓度低，需要大量的采矿和分离过程。这些过程包括多个步骤，如破碎、研磨、浮选和化学处理，使它们变得复杂而昂贵。

稀土的开采和加工不是一件简单的事情，因此对环境的影响很大。提取和精炼过程产生大量废物，需要使用危险化学品。遵守环境法规和负责任的做法需要额外的投资，导致生产成本增加。

贸易政策、出口限制和地缘政治紧张局势也可能影响稀土元素的供应和成本，导致价格波动和费用增加。如果不采取适当的预防措施，采矿和加工人员以及周边地区居民的健康可能会受到损害。

设计材料以减少稀土元素

通常有不止一种方法来达到材料的预期性能。直到最近，寻找替代品仍是一个艰难的、主要是反复试验的过程。

集成计算材料工程(ICME)是一种可以追溯到20世纪90年代末的方法，它涉及基于物理的建模来预测合金的性能特征，并确定最佳的热处理和制造工艺。随着材料设计领域最近和正在进行的数字化转型，ICME现在可以更有效和全面地应用。

材料工程师从材料需要具备的特性入手，逆向研究，可以找到减少或消除对稀土元素需求的替代成分。材料科学家可以在一个具有数百个变量的大型设计空间中模拟不同的元素条件。

在一个例子中，Questek能够将合金的铼含量从3%降低到1%。虽然这听起来可能不是特别重要，但铼是迄今为止合金中成本最高、对环境影响最大的因素。

在一个给定的组件中减少三分之二的稀土元素使用量是巨大的。虽然想象减少稀土开采的环境效益似乎有点抽象，但节省的成本是显而易见的。铼目前的价格约为每磅900美元。(这个价格很低—— 我看到它涨到了每磅4500美元以上。)在这种合金的使用规模下，由于铼含量的降低，每轮生产可节省24万美元。

另一个例子涉及不再需要镀镉。镀镉广泛应用于航空工业，特别是飞机起落架，因为它具有特殊的耐腐蚀性和抑制微生物生长的有效性。然而，镉的使用引起了严重的环境问题。镉是一种有毒的重金属，对参与电镀过程以及处理和处置废料的工人构成潜在的健康风险。不当的镀镉程序可导致水源污染，危害水生生物并造成空气污染。

为了解决这些问题，材料工程师使用计算模型设计了一种新的合金，它具有足够高的内在耐腐蚀性，不需要镀镉。它的强度和韧性对于起落架等关键部件的高可靠性至关重要，同时减轻了与镉相关的潜在环境危害。

材料工程的数字化转型提供了一个机会，可以重新审视以前关于特定合金中稀土元素需求的假设，以及为未来的新应用设计更可持续的合金的能力。通过在材料工程中使用ICME，积极采取措施减少稀土元素含量，这应该是任何全面可持续发展计划的一部分。