Aluminiumlegierungen sind für ihr geringes Gewicht und ihre Korrosionsbeständigkeit bekannt, was sie zu idealen Kandidaten für Anwendungen in einer kohlenstoffarmen Wirtschaft macht – von leichten Automobilen bis hin zu Tanks für die Speicherung von grünem Wasserstoff. Ihre breite Anwendung wird jedoch durch ein zentrales Problem eingeschränkt: Sie leiden unter Versprödung, was zu Rissen und Versagen führt, wenn sie Wasserstoff ausgesetzt sind.
Bislang waren Legierungen, die gegen Wasserstoffversprödung resistent sind, eher weich, was ihre Anwendung in wasserstoffbezogenen Technologien, die eine hohe Festigkeit erfordern, einschränkt.
Jetzt haben Forscher des Max-Planck-Instituts für nachhaltige Materialien (MPI-SusMat) in Deutschland zusammen mit Partnern aus China und Japan eine neue Strategie für das Legierungsdesign entwickelt, die dieses Dilemma überwindet. Ihr Ansatz ermöglicht sowohl eine außergewöhnliche Festigkeit als auch eine überlegene Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung (HE) und ebnet damit den Weg für sicherere und effizientere Aluminiumkomponenten in der Wasserstoffwirtschaft.
Doppelte Nanopräzipitate fangen Wasserstoff ein und erhöhen die Festigkeit
Im Mittelpunkt des Durchbruchs steht eine komplexe, größenabhängige Ausscheidungsstrategie in Scandium-angereicherten Aluminium-Magnesium-Legierungen. Durch eine zweistufige Wärmebehandlung haben die Forscher feine Al3Sc-Nanopräzipitate erzeugt, auf denen sich in-situ eine Schale aus einem strukturell hochkomplexen Al3(Mg,Sc)2 bildet. Diese dualen Nanopräzipitate sind in der gesamten Legierung verteilt und erfüllen zwei wichtige Funktionen: Die Al3(Mg,Sc)2-Phase fängt Wasserstoff ein und erhöht die Hochtemperaturbeständigkeit, während die feinen Al3Sc-Partikel die Festigkeit erhöhen.
„Unsere neue Designstrategie löst diesen typischen Zielkonflikt“, erklärt Professor Baptiste Gault, Leiter der Gruppe ‚Atomsondentomographie‘ am MPI-SusMat und einer der korrespondierenden Autoren der neu veröffentlichten Arbeit. „Wir müssen nicht mehr zwischen hoher Festigkeit und Wasserstoffbeständigkeit wählen – diese Legierung bietet beides.“
Die Ergebnisse überzeugen: eine 40 prozentige Steigerung der Festigkeit und eine fünffache Verbesserung der Wasserstoffversprödungsbeständigkeit im Vergleich zu scandiumfreien Legierungen. Das Material erreicht sogar eine rekordverdächtige gleichmäßige Zugdehnung in wasserstoffbeladenen Aluminiumlegierungen von bis zu 7 ppmw – ein Indikator für hervorragende Duktilität unter Wasserstoffeinwirkung. Die am MPI-SusMat durchgeführten Atomsondentomographie-Messungen waren entscheidend für die Verifizierung der Rolle der Al3(Mg,Sc)2-Phase beim Wasserstoffeinschluss auf atomarer Ebene und boten Einblicke in die Funktionsweise der Legierung auf fundamentaler Ebene. Die an den Partnerinstituten durchgeführten Experimente umfassten Elektronenmikroskopie und Simulation.
Vom Labor zur Industrie
Die Forscher testeten ihren Ansatz an verschiedenen Al-Legierungssystemen und demonstrierten auch die Skalierbarkeit durch den Einsatz von wassergekühltem Kupferkokillenguss und thermomechanischen Verarbeitungsmethoden, die den aktuellen Industriestandards entsprechen. Diese Forschung legt den Grundstein für eine neue Generation von Aluminiumwerkstoffen, die auf die Anforderungen einer wasserstoffbetriebenen Zukunft zugeschnitten sind – sicher, stabil und bereit für den industriellen Einsatz.
Diese Arbeit wurde hauptsächlich von Forschern der Xi'an Jiaotong Universität (China), der Shanghai Jiao Tong Universität (China) und am MPI-SusMat gemeinsam durchgeführt.
Dieser Artikel wurde mit DeepL aus dem Englischen übersetzt.
