Mais forte e mais seguro: nova estratégia de design para o alumínio combina força com resistência à fragilização por hidrogénio
40% de aumento da resistência e uma melhoria de cinco vezes na resistência à fragilização por hidrogénio em comparação com ligas sem escândio
As ligas de alumínio são bem conhecidas pelo seu baixo peso e resistência à corrosão, tornando-as candidatas ideais para aplicações numa economia de baixo carbono - desde automóveis leves a tanques para armazenar hidrogénio verde. No entanto, a sua aplicação generalizada é limitada por um desafio fundamental: sofrem de fragilização que provoca fissuras e falhas quando expostas ao hidrogénio. Até agora, as ligas resistentes à fragilização por hidrogénio eram bastante macias, o que limitava a sua aplicação em tecnologias relacionadas com o hidrogénio que exigem uma elevada resistência. Agora, investigadores do Instituto Max Planck para Materiais Sustentáveis (MPI-SusMat), na Alemanha, juntamente com parceiros da China e do Japão, desenvolveram uma nova estratégia de conceção de ligas que ultrapassa este dilema. A sua abordagem permite uma força excecional e uma resistência superior à fragilização pelo hidrogénio (HE), abrindo caminho para componentes de alumínio mais seguros e eficientes na economia do hidrogénio. Os resultados foram publicados na revista Nature.
Os nanoprecipitados complexos são capazes de reter o hidrogénio no interior das ligas de alumínio, mantendo a sua resistência.
© Nature 2025; DOI:10.1038/S41586-025-08879-2
Os nanoprecipitados duplos retêm o hidrogénio e aumentam a resistência
No cerne da descoberta está uma estratégia de precipitação complexa e de tamanho variável em ligas de alumínio-magnésio com adição de escândio. Através de um tratamento térmico em duas fases, os investigadores criaram nanoprecipitados finos de Al3Scsobre os quais se forma in-situ um invólucro de um Al3(Mg,Sc)2 altamente complexo do ponto de vista estrutural. Estes nanoprecipitados duplos estão distribuídos por toda a liga para desempenhar dois papéis fundamentais: a fase Al3(Mg,Sc)2 retém o hidrogénio e aumenta a resistência HE, enquanto as partículas finas de Al3Scaumentam a resistência.
"A nossa nova estratégia de conceção resolve este compromisso típico. Já não temos de escolher entre alta resistência e resistência ao hidrogénio - esta liga proporciona ambas", afirmou o Professor Baptiste Gault, chefe do grupo "Atom Probe Tomography" no MPI-SusMat e um dos autores correspondentes do trabalho recentemente publicado.
Os resultados são convincentes: um aumento de 40% na resistência e uma melhoria de cinco vezes na resistência à fragilização por hidrogénio em comparação com as ligas sem escândio. O material atinge mesmo um recorde de alongamento uniforme à tração em ligas de alumínio carregadas com hidrogénio de até 7 ppmw - um indicador de excelente ductilidade sob exposição ao hidrogénio. As medições de tomografia por sonda atómica realizadas no MPI-SusMat foram essenciais para verificar o papel da fase Al3(Mg,Sc)2 na captura de hidrogénio a nível atómico, oferecendo uma perspetiva do funcionamento da liga a uma escala fundamental. As experiências realizadas nos institutos parceiros incluíram microscopia eletrónica e simulação.
Do laboratório para a indústria
Os investigadores testaram a sua abordagem em vários sistemas de ligas de Al e também demonstraram a sua escalabilidade utilizando métodos de fundição em molde de cobre arrefecido a água e de processamento termomecânico que se alinham com as normas industriais actuais. Esta investigação lança as bases para uma nova geração de materiais de alumínio adaptados às exigências de um futuro movido a hidrogénio - seguros, fortes e prontos para utilização industrial.
Este trabalho foi realizado em conjunto, principalmente por investigadores da Universidade de Xi'an Jiaotong (China), da Universidade de Shanghai Jiao Tong (China) e do Instituto Max Planck para Materiais Sustentáveis (Alemanha).
Ao ponto
- Nova conceção de liga para o alumínio: Os investigadores desenvolveram uma estratégia de nanoprecipitado duplo que combina as fases Al3Sce Al3(Mg,Sc)2, obtendo um aumento de 40% na resistência e uma resistência cinco vezes maior à fragilização por hidrogénio em comparação com ligas sem Sc, sem sacrificar a ductilidade.
- Afinação da microestrutura: Uma fase Al3(Mg,Sc)2 retém o hidrogénio e melhora a resistência à fragilização por hidrogénio, enquanto as partículas finas de Al3Scaumentam a resistência.
- Inovação escalável: O projeto foi testado com êxito em condições quase industriais, incluindo a fundição em molde de cobre e o processamento termomecânico, mostrando um claro potencial para a produção à escala industrial.
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Publicação original
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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