Più forte e più sicuro: la nuova strategia di progettazione dell'alluminio combina la forza con la resistenza all'infragilimento da idrogeno
aumento del 40% della resistenza e quintuplicazione della resistenza all'infragilimento da idrogeno rispetto alle leghe prive di scandio
Le leghe di alluminio sono note per il loro peso ridotto e la resistenza alla corrosione, che le rendono ideali per le applicazioni in un'economia a basse emissioni di carbonio, dalle automobili leggere ai serbatoi per lo stoccaggio dell'idrogeno verde. Tuttavia, la loro applicazione diffusa è limitata da una sfida fondamentale: soffrono di infragilimento che porta a cricche e guasti quando sono esposte all'idrogeno. Finora, le leghe resistenti all'infragilimento da idrogeno erano piuttosto morbide, il che ne limitava l'applicazione nelle tecnologie legate all'idrogeno che richiedono un'elevata resistenza. Ora, i ricercatori del Max Planck Institute for Sustainable Materials (MPI-SusMat) in Germania, insieme a partner cinesi e giapponesi, hanno sviluppato una nuova strategia di progettazione della lega che supera questo dilemma. Il loro approccio consente di ottenere una forza eccezionale e una resistenza superiore all'infragilimento da idrogeno (HE), aprendo la strada a componenti in alluminio più sicuri ed efficienti nell'economia dell'idrogeno. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature.
I nanoprecipitati complessi sono in grado di intrappolare l'idrogeno all'interno delle leghe di alluminio, mantenendone la resistenza.
© Nature 2025; DOI:10.1038/S41586-025-08879-2
I doppi nanoprecipitati intrappolano l'idrogeno e aumentano la resistenza
Il cuore della scoperta è una complessa strategia di precipitazione dimensionale nelle leghe di alluminio e magnesio addizionate di scandio. Attraverso un trattamento termico in due fasi, i ricercatori hanno creato dei nanoprecipitati fini di Al3Scsui quali si forma in situ un guscio di Al3(Mg,Sc)2 strutturalmente molto complesso. Questi doppi nanoprecipitati sono distribuiti in tutta la lega per svolgere due ruoli chiave: la fase Al3(Mg,Sc)2 intrappola l'idrogeno e aumenta la resistenza all'HE, mentre le particelle fini di Al3Scaumentano la resistenza.
"La nostra nuova strategia di progettazione risolve questo tipico compromesso. Non dobbiamo più scegliere tra alta resistenza e resistenza all'idrogeno: questa lega le offre entrambe", spiega il professor Baptiste Gault, responsabile del gruppo "Atom Probe Tomography" dell'MPI-SusMat e uno degli autori corrispondenti del lavoro appena pubblicato.
I risultati sono convincenti: un aumento del 40% della resistenza e un miglioramento di cinque volte della resistenza all'infragilimento da idrogeno rispetto alle leghe prive di scandio. Il materiale raggiunge anche il record di allungamento a trazione uniforme in leghe di alluminio caricate con idrogeno, fino a 7 ppmw - un indicatore di eccellente duttilità sotto esposizione all'idrogeno. Le misure di tomografia a sonda atomica effettuate presso l'MPI-SusMat sono state fondamentali per verificare il ruolo della fase Al3(Mg,Sc)2 nell'intrappolamento dell'idrogeno a livello atomico, offrendo spunti per capire come funziona il progetto della lega su scala fondamentale. Gli esperimenti condotti presso gli istituti partner hanno incluso la microscopia elettronica e la simulazione.
Dal laboratorio all'industria
I ricercatori hanno testato il loro approccio su vari sistemi di leghe di Al e hanno dimostrato la scalabilità utilizzando metodi di fusione in stampi di rame raffreddati ad acqua e di lavorazione termomeccanica in linea con gli attuali standard industriali. Questa ricerca pone le basi per una nuova generazione di materiali in alluminio adatti alle esigenze di un futuro a idrogeno - sicuri, resistenti e pronti per l'uso industriale.
Questo lavoro è stato svolto congiuntamente da ricercatori della Xi'an Jiaotong University (Cina), della Shanghai Jiao Tong University (Cina) e del Max Planck Institute for Sustainable Materials (Germania).
Al punto
- Nuovo progetto di lega per l'alluminio: I ricercatori hanno sviluppato una strategia a doppio nanoprecipitato che combina le fasi Al3Sce Al3(Mg,Sc)2, ottenendo un aumento del 40% della forza e una resistenza cinque volte superiore all'infragilimento da idrogeno rispetto alle leghe senza Sc, senza sacrificare la duttilità.
- Regolazione della microstruttura: Una fase Al3(Mg,Sc)2 intrappola l'idrogeno e aumenta la resistenza all'infragilimento da idrogeno, mentre le particelle fini di Al3Scaumentano la resistenza.
- Innovazione scalabile: Il progetto è stato testato con successo in condizioni quasi industriali, tra cui la fusione in stampi di rame e la lavorazione termomeccanica, dimostrando un chiaro potenziale per la produzione su scala industriale.
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Pubblicazione originale
Shengyu Jiang, Yuantao Xu, Ruihong Wang, Xinren Chen, Chaoshuai Guan, Yong Peng, Fuzhu Liu, Mingxu Wang, Xu Liu, Shaoyou Zhang, Genqi Tian, Shenbao Jin, Huiyuan Wang, Hiroyuki Toda, Xuejun Jin, Gang Liu, Baptiste Gault, Jun Sun; "Structurally complex phase engineering enables hydrogen-tolerant Al alloys"; Nature, 2025-4-30
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