Leghe di alluminio extra resistenti sviluppate per l'economia dell'idrogeno / Extra-Strong Aluminum Alloys Developed for the Hydrogen Economy

Leghe di alluminio extra resistenti sviluppate per l'economia dell'idrogenoExtra-Strong Aluminum Alloys Developed for the Hydrogen Economy


Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa



La nuova lega ha una resistenza all'infragilimento da idrogeno 5 volte superiore ed una resistenza meccanica superiore del 40%, mantenendo la stessa duttilità.

Al punto

  • Nuovo progetto di lega per l'alluminio: i ricercatori mescolano lo scandio con leghe di alluminio per ottenere una resistenza superiore del 40 percento ed una resistenza alla fragilizzazione da idrogeno cinque volte superiore, mantenendo la stessa duttilità.
  • Ottimizzazione della microstruttura: le nanoparticelle con un guscio di particelle di alluminio, magnesio e scandio intrappolano l'idrogeno e riducono il rischio di fragilità, mentre le nanoparticelle di alluminio e scandio aumentano la resistenza.
  • Applicabilità industriale: le leghe robuste e resistenti all'idrogeno sono già state prodotte in condizioni quasi industriali.


Le leghe di alluminio sono note per il loro peso ridotto e la resistenza alla corrosione, che le rendono candidate ideali per applicazioni in un'economia a basse emissioni di carbonio, dalle automobili leggere ai serbatoi per lo stoccaggio di idrogeno verde. Tuttavia, la loro ampia diffusione è limitata da una sfida fondamentale: soffrono di fragilità, che porta a cricche e rotture quando esposte all'idrogeno. Finora, le leghe resistenti alla fragilità da idrogeno erano piuttosto morbide, il che ne limitava l'applicazione nelle tecnologie legate all'idrogeno che richiedono elevata resistenza.

Ora, i ricercatori del Max Planck Institute for Sustainable Materials in Germania, insieme a partner cinesi e giapponesi, hanno sviluppato una nuova strategia di progettazione delle leghe che supera questo dilemma. Il loro approccio consente sia una resistenza eccezionale che una resistenza superiore all'infragilimento da idrogeno, aprendo la strada a componenti in alluminio più sicuri ed efficienti nell'economia dell'idrogeno. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature.

I doppi nanoprecipitati intrappolano l'idrogeno ed aumentano la resistenza

Al centro di questa svolta c'è una complessa strategia di precipitazione a setaccio dimensionale in leghe di alluminio-magnesio con aggiunta di scandio. Attraverso un trattamento termico in due fasi, i ricercatori hanno progettato nanoprecipitati fini di Al3Sc su cui si forma in situ un guscio di Al3 (Mg,Sc) 2 strutturalmente complesso . Questi doppi nanoprecipitati sono distribuiti in tutta la lega per svolgere due ruoli chiave: la fase di Al3 (Mg,Sc) 2  intrappola l'idrogeno e migliora la resistenza all'infragilimento da idrogeno, mentre le particelle fini di Al3Sc  ne aumentano la resistenza.


"La nostra nuova strategia di progettazione risolve questo tipico compromesso. Non dobbiamo più scegliere tra elevata resistenza e resistenza all'idrogeno: questa lega offre entrambe le cose", afferma Baptiste Gault, responsabile del gruppo di ricerca presso il Max Planck Institute for Sustainable Materials.


I risultati sono convincenti: un aumento del 40% della resistenza ed un miglioramento di cinque volte della resistenza all'infragilimento da idrogeno rispetto alle leghe prive di scandio. Il materiale raggiunge persino un allungamento a trazione uniforme record nelle leghe di alluminio caricate con idrogeno anche con carichi di idrogeno relativamente elevati, un indicatore di eccellente duttilità in caso di esposizione all'idrogeno. Le misurazioni con tomografia a sonda atomica effettuate presso il Max Planck Institute for Sustainable Materials sono state essenziali per verificare il ruolo della fase Al3  (Mg,Sc) 2  nell'intrappolamento dell'idrogeno a livello atomico, offrendo spunti sul funzionamento della progettazione della lega su scala fondamentale. Gli esperimenti condotti presso gli istituti partner includevano microscopia elettronica e simulazione.

Dal laboratorio all'industria

I ricercatori hanno testato il loro approccio su diversi sistemi di leghe di alluminio e ne hanno dimostrato la scalabilità utilizzando la fusione in stampi di rame raffreddati ad acqua e metodi di lavorazione termomeccanica in linea con gli attuali standard industriali. Questa ricerca getta le basi per una nuova generazione di materiali in alluminio pensati per le esigenze di un futuro alimentato a idrogenosicuri, resistenti e pronti per l'uso industriale.


ENGLISH


The new alloy has a 5x higher resistance to hydrogen embrittlement and 40% higher strength, while maintaining the same ductility.

To the point

  • Novel alloy design for aluminum: Researchers mix scandium with aluminum alloys to achieve 40 percent higher strength and five times higher resistance to hydrogen embrittlement - while maintaining the same ductility.
  • Tuning the microstructure: Nanoparticles with a shell of particles out of aluminum, magnesium and scandium trap hydrogen and reduce the risk of embrittlement, while nanoparticles of aluminum and scandium increase strength.
  • Industrial applicability: The strong and hydrogen-resistant alloys have already been produced under almost industrial conditions.


Aluminum alloys are well-known for their low weight and corrosion resistance, making them ideal candidates for applications in a low-carbon economy - from lightweight automobiles to tanks for storing green hydrogen. However, their widespread application is limited by a key challenge: they suffer from embrittlement leading to cracking and failure when exposed to hydrogen. Till now, alloys resistant to hydrogen embrittlement were rather soft, limiting their application in hydrogen-related technologies that require high strength.

Now, researchers from the Max Planck Institute for Sustainable Materials in Germany, together with partners from China and Japan, have developed a new alloy design strategy that overcomes this dilemma. Their approach enables both exceptional strength and superior resistance to hydrogen embrittlement, paving the way for safer and more efficient aluminum components in the hydrogen economy. They have published their results in the journal Nature.

Dual nanoprecipitates trap hydrogen and boost strength

At the heart of the breakthrough is a complex, size-sieved precipitation strategy in scandium-added aluminum-magnesium alloys. Through a two-step heat treatment, the researchers engineered fine Al3Sc nanoprecipitates on which a shell of a highly structurally complex Al3(Mg,Sc)2 forms in-situ. These dual nanoprecipitates are distributed throughout the alloy to serve two key roles: the Al3(Mg,Sc)2 phase traps hydrogen and enhances resistance against hydrogen embrittlement, while the fine Al3Sc particles boost strength.


“Our new design strategy solves this typical trade-off. We no longer have to choose between high strength and hydrogen resistance - this alloy delivers both”, says Baptiste Gault, group leader at the Max Planck Institute for Sustainable Materials.


The results are compelling: a 40 percent increase in strength and a five-fold improvement in hydrogen embrittlement resistance compared to scandium-free alloys. The material even achieves a record uniform tensile elongation in hydrogen-charged aluminum alloys at even relatively high hydrogen loading - an indicator of excellent ductility under hydrogen exposure. Atom probe tomography measurements carried out at the Max Planck Institute for Sustainable Materials were essential in verifying the role of the Al3(Mg,Sc)2 phase in hydrogen trapping at the atomic level, offering insights into how the alloy design works on a fundamental scale. Experiments carried out at the partner institutes included electron microscopy and simulation.

From lab to industry

The researchers tested their approach across various Al alloy systems, and also demonstrated scalability by using water-cooled copper mould casting and thermomechanical processing methods that align with current industrial standards. This research lays the groundwork for a new generation of aluminum materials tailored for the demands of a hydrogen-powered future  safe, strong, and ready for industrial use.


Da:

https://www.technologynetworks.com/applied-sciences/news/extra-strong-aluminum-alloys-developed-for-the-hydrogen-economy-400757

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