Stærkere, hydrogenbestandig aluminiumlegering afsløret

Aluminiumens opstigning: Fra luksusmetal til industriel grundpille

Nogle metaller har over tid udviklet sig fra sjældenhed til en vare. Det er helt sikkert tilfældet med aluminium, som først blev opdaget i sin metalliske form i 1825, på trods af at det er det mest udbredte metal i jordens skorpe, endda mere almindeligt end jern.

Forskellen i forhold til jern er, at aluminium er ekstremt svært at raffinere og kræver meget høje temperaturer. Som følge heraf var det i starten mere værdifuldt end guld og blev kun brugt som et luksusmetal til smykker og bestik.

Napoleon siges at have holdt et banket, hvor de mest ærede gæster fik aluminiumbestik, mens andre måtte nøjes med guld.

Efterhånden som bedre industrielle processer blev opfundet, blev det det foretrukne metal til korrosionsbestandige anvendelser samt alt, hvor lav vægt er afgørende, som i bil- og luftfartsapplikationer. I dag er det også et populært metal til 3D‑printning.

Alligevel kan der sandsynligvis stadig foretages flere forbedringer af aluminiumlegeringer takket være bedre nanoskalastrukturer.

Dette er, hvad forskere fra Xi’an Jiaotong University, Shanghai Jiao Tong University, Lanzhou University, Shandong University, Hebei University of Technology, Kyushu University (Japan), Imperial College (UK) og Max Planck Institute (Tyskland) har opdaget.

De udviklede en ny type aluminiumlegering med en 40 % stigning i styrke og en femdoblet stigning i modstand mod brint, hvilket baner vejen for nye anvendelser af aluminium i en fremtidig brintøkonomi.

De offentliggjorde deres resultater i den prestigefyldte tidsskrift Nature¹ under titlen “Structurally complex phase engineering enables hydrogen-tolerant Al alloys”.

Aluminiumens rolle i en fremtidig brintøkonomi

Så snart menneskeheden fandt ud af, hvordan man producerer tilstrækkeligt høje temperaturer til at smelte aluminium, blev det et meget vigtigt industrielt metal. Dette skyldes, at det samtidig er let, stærkt og korrosionsbestandigt.

Kilde: Erect a Step

Det er også overlegen i forhold til stål med hensyn til bearbejdelighed, dvs. hvor let det kan bearbejdes med maskinværktøj.

Endelig er aluminium en langt bedre leder af varme og elektricitet og er faktisk det metal, der bruges i højspændingsledninger, mens kobber kun anvendes til de lokale elektriske forbindelser.

Det bruges også almindeligt i rør og tanke. Dog klarer det sig dårligt i denne rolle, når det skal lagre og transportere brint. Når det udsættes for brint, gennemgår det en proces kaldet “indbrydning”, hvilket fører til revner og svigt.

 Forståelse af brintindbrydning i metaller

Brintindbrydning er et fænomen, der opstår, når metal absorberer brintatomer, hvilket reducerer metallens duktilitet eller evne til at bøje sig før revnedannelse.

Det forekommer i stål, jern, nikkel, titanium, kobolt og deres legeringer. Kobber, aluminium og rustfrit stål er mindre modtagelige for brintindbrydning, men påvirkes stadig.

Revnen dannes typisk omkring kornene i de metalliske forbindelser, da det er her, brintatomerne trænger ind og reducerer duktiliteten.

Kilde: MTC Solutions

Dette er et tilbagevendende problem for udviklingen af en potentiel brintøkonomi, da traditionelle metoder til opbygning af rørledninger, tanke og ventiler står over for den meget reelle udfordring med hurtig nedbrydning og dannelse af lækager.

Dette er et problem for opbygning af den infrastruktur, som masseudrulning af brint som brændstof vil kræve.

Gennembrudslegering: Skandiumforstærket aluminium

Tilsætning af skandium

For at reducere brintindbrydning er den bedste løsning, at andre elementer absorberer brinten og dermed beskytter aluminiummetallet. Forskerne anvendte en metode, der skaber aluminium‑skandium (Al3Sc) nanoprecipitater.

Scandium er et sjældent jordelement, hvis eneste store anvendelse ligger i aluminiumlegeringer. Atomprobe‑tomografi (APT) viste, at en normal aluminium‑magnesiumlegering har en gennemsnitlig kornstørrelse på 200 μm. I kontrast har aluminium‑magnesium‑skandiumlegeringen kun en gennemsnitlig kornstørrelse på 100 μm.

Kilde: Nature

På disse præcipitat dannes en meget kompleks 3D‑struktur af aluminium‑magnesium‑skandium (Al3(Mg,Sc)2). Det ser ud til, at skandium stabiliserer strukturen og danner en ydre skal af magnesium‑skandium, der dækker aluminiumkornet i legeringen.

Kilde: Nature

Disse dobbelte nanoprecipitater er fordelt i hele legeringen for at udfylde to nøglefunktioner: Al3(Mg,Sc)2‑fasen fanger brint og øger modstanden mod brint, mens de fine Al3Sc‑partikler øger styrken.

 Forøgelse af styrke og holdbarhed med Al₃(Mg,Sc)₂

Den nyopfundne legering har en 80 % højere flydespænding (omkring 100 MPa), dvs. den maksimale belastning, der kan påføres før permanent formændring.

Den har dog også 20 % mindre samlet trækforlængelse, dvs. den længde, legeringen kan strækkes før brud, sammenlignet med en skandiumfri legering.

Desuden er eksponeringen for brint meget mindre skadelig, hvilket gør selv den brintladede aluminium‑magnesium‑skandiumlegering stærkere end den brintfri normale aluminium‑magnesiumlegering.

Kilde: Nature

Samlet set kan dette opsummeres som en 40 % stigning i styrke og en femdoblet forbedring i modstand mod brintindbrydning sammenlignet med skandiumfri legeringer.

“Vores nye designstrategi løser dette typiske kompromis. Vi behøver ikke længere vælge mellem høj styrke og brintbestandighed – denne legering leverer begge dele.”

Pr. Baptiste Gault – Chef for gruppen “atom probe tomography” ved MPI-Susmat 

Videnskabelig validering af brintbestandighed

Senere analyse med elektronmikroskopi og computermodellering så nærmere på, hvordan det fungerer.

Elektronmikroskopien beviste visuelt, at brintatomerne faktisk ophobes i de samme områder, der er rige på skandium, hvilket beviser den direkte forbindelse mellem skandium og beskyttelsen af aluminium mod brintoptagelse og indbrydning.

Kilde: Nature

En computermodel blev også udviklet for at teoretisere, hvordan nanostrukturerne dannes. Den ser ud til at indikere, at den nyopdagede legering overgår alle kendte intermetalliske forbindelser og krystalddefekter, som hidtil er blevet eksperimentelt rapporteret eller teoretisk forudsagt i aluminiumlegeringer.

Kilde: Nature

Skalerbare løsninger til industriel brug

Denne metode blev også testet af forskere til at fungere med forskellige fremstillingsmetoder af aluminiumlegering.

De demonstrerede også skalerbarhed ved at anvende vandkølet kobberformstøbning og termomekaniske bearbejdningsmetoder, der er i overensstemmelse med nuværende industrielle standarder.

Dette bør blive grundlaget for en fremtidig generation af aluminiummaterialer, der er skræddersyet til kravene i en brintdrevet fremtid: stærkere, sikrere mod indbrydningsrisici og klar til implementering i industriel skala.

Investering i aluminiumindustrien

Alcoa: En stor aktør inden for aluminiuminnovation

Alcoa er en global aluminiumvirksomhed med tilstedeværelse over hele verden og i hele aluminiumforsyningskæden, fra bauxitmalm til aluminiummetal samt alumina (det mellemliggende produkt mellem bauxit og aluminium).

Kilde: Alcoa

Virksomheden har 41,3 Mdmt (millioner tørre metriske ton) bauxitoperationer i 2024, som sender 85 % af sin forsendelse til Alcoa‑raffinaderier.

Kun 32 % af de 13,2 Mt produceret alumina sendes til Alcoa‑støberier, som producerer 2,6 millioner ton aluminium i 2024, mens resten sælges til tredjepart.

Kilde: Alcoa

Virksomheden producerer aluminium i forskellige former for at imødekomme kravene fra mange forskellige fremstillingsindustrier.

Kilde: Alcoa

Samlet set er aluminiumproduktion en meget energikrævende aktivitet, der bruger elektricitet direkte til smeltning, olie til minedrift, kul til at levere kulstof i smelteprocessen samt energikrævende materialer som kaustiske kemikalier.

Alligevel har Alcoa gjort store bestræbelser på at reducere sit CO₂‑aftryk, hvilket gør dem til en brancheleder inden for CO₂‑udledning, delvist takket være vandkraftanlæg. De tilbyder også produktlinjen Alcoa Sustana med reduceret CO₂‑udledning og højere indhold af genanvendt metal.

Kilde: Alcoa

Told kan påvirke virksomheden, da faciliteter i Canada og Brasil (blandt andre) vil stå over for høje toldsatser for at sælge til USA. Virksomheden har dog også produktionsfaciliteter i USA, og værdien af indenlandsk produceret aluminium er steget tilsvarende, hvilket bør øge rentabiliteten for Alcoas amerikanske støberier.

Kilde: Alcoa

Samlet set er Alcoa et solidt valg i forhold til den fortsatte popularitet af aluminium inden for avanceret fremstilling, luftfart og elnet, alle sektorer hvor efterspørgslen forventes at vokse i de kommende år.

Seneste Alcoa (AA) aktienyheder og udviklinger

Studier refereret:

^{1. Jiang, S., Xu, Y., Wang, R. et al. Structurally complex phase engineering enables hydrogen-tolerant Al alloys. Nature 641, 358–364 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08879-2}