Międzynarodowy zespół badaczy opracował nową generację stopów aluminium, które są jednocześnie wytrzymałe i odporne na tzw. kruchość wodorową.
Stopy aluminium od lat są chętnie wykorzystywane w przemyśle – lekkie, odporne na korozję i relatywnie tanie. Jednak ich słabym punktem była dotąd niska odporność na działanie wodoru, który może prowadzić do pękania materiału, tzw. kruchości wodorowej.
Problem ten ograniczał ich szersze zastosowanie w nowoczesnych, dynamicznie się właśnie rozwijających technologiach energetycznych. To może się jednak zmienić.
Przełom: wytrzymałość plus odporność na wodór
Naukowcy z Max Planck Institute for Sustainable Materials (Niemcy) we współpracy z uczelniami z Chin i Japonii opracowali zupełnie nową strategię projektowania stopów aluminium.
Dzięki niej udało się zwiększyć wytrzymałość materiału o 40 proc. oraz pięciokrotnie poprawić jego odporność na kruchość wodorową – i to bez pogorszenia plastyczności.
– Nasza strategia rozwiązuje dylemat, z którym zmagaliśmy się od lat. Nie musimy już wybierać między wytrzymałością a odpornością na wodór. Ten stop zapewnia jedno i drugie – tłumaczy Baptiste Gault, lider zespołu badawczego.
Jak to działa? Klucz: nanostruktura
W centrum przełomu znajduje się specjalna mikrostruktura oparta na cząstkach nanometrycznych (precypitatach). Naukowcy zastosowali dwustopniową obróbkę cieplną stopu aluminium z dodatkiem skandu (Sc) i magnezu (Mg).
Al₃Sc – zwiększa wytrzymałość stopu, Al₃(Mg,Sc)₂ – tworzy powłokę blokującą wodór, co znacząco ogranicza jego szkodliwy wpływ.
W efekcie uzyskano jednocześnie wysoką odporność na wodór i dużą wytrzymałość mechaniczną, co potwierdziły badania. W tych zastosowano zaawansowane techniki obrazowania. W tym atomową tomografię z sondą (APT), która pozwoliła zidentyfikować zachowanie wodoru na poziomie atomowym. Potwierdziło to skuteczność pułapek wodorowych w strukturze materiału.
Dodatkowo, nowy stop wykazał rekordowe wydłużenie przy rozciąganiu w obecności wodoru. To świadczy o jego doskonałej ciągliwości w warunkach rzeczywistego obciążenia.
Gotowe do przemysłu
Nowe stopy nie tylko powstały w warunkach laboratoryjnych. Zostały już wyprodukowane przy użyciu technologii zbliżonych do przemysłowych. Takich jak odlewanie w formach z miedzi chłodzonych wodą oraz konwencjonalne procesy termomechaniczne.
Oznacza to, że rozwiązanie można wkrótce wdrożyć do produkcji seryjnej, np. w zbiornikach na zielony wodór, konstrukcjach pojazdów wodorowych oraz lekkich komponentach infrastruktury energetycznej.
Projekt powstania nowego stopu został zrealizowany we współpracy między z Max Planck Institute for Sustainable Materials (Niemcy), Xi’an Jiaotong University (Chiny) oraz Shanghai Jiao Tong University (Chiny).
Wyniki badań nad nowym materiałem opublikowano w prestiżowym czasopiśmie Nature w czerwcu tego roku.
Foto: ChatGPT/AI.