Aleación de Aluminio Más Fuerte y Resistente al Hidrógeno Revelada

El ascenso del aluminio: De metal de lujo a pilar industrial

Algunos metales han evolucionado con el tiempo de ser raros a convertirse en una mercancía. Este es definitivamente el caso del aluminio, que se descubrió en su forma metálica solo en 1825, a pesar de ser el metal más abundante en la corteza terrestre, incluso más común que el hierro.

La diferencia con el hierro es que el aluminio es extremadamente difícil de refinar, requiriendo temperaturas muy altas. Como resultado, inicialmente era más precioso que el oro y se utilizaba solo como metal de lujo para joyería y cubiertos.

Se dice que Napoleón organizó un banquete donde a los invitados más honrados se les entregaron utensilios de aluminio mientras que los demás se conformaron con oro.

A medida que se inventaron mejores procesos industriales, se convirtió en el metal preferido para aplicaciones resistentes a la corrosión, así como para todo lo que requiere bajo peso, como aplicaciones automotrices y aeroespaciales. Hoy también es un metal popular para aplicaciones de impresión 3D.

Aún pueden realizarse más mejoras en las aleaciones de aluminio, gracias a mejores estructuras a nanoescala.

Esto es lo que descubrieron investigadores de la Universidad Xi’an Jiaotong, la Universidad Shanghai Jiao Tong, la Universidad de Lanzhou, la Universidad de Shandong, la Universidad Tecnológica de Hebei, la Universidad de Kyushu (Japón), Imperial College (Reino Unido) y el Instituto Max Planck (Alemania).

Desarrollaron un nuevo tipo de aleación de aluminio con un aumento del 40 % en resistencia y un incremento de cinco veces en la resistencia al hidrógeno, abriendo el camino a nuevas aplicaciones del aluminio en una futura economía del hidrógeno.

Publicaron sus hallazgos en la prestigiosa revista Nature¹, bajo el título “Ingeniería de fases estructuralmente complejas permite aleaciones de Al tolerantes al hidrógeno”.

El papel del aluminio en una futura economía del hidrógeno

En cuanto la humanidad descubrió cómo producir temperaturas lo suficientemente altas para fundir aluminio, se convirtió en un metal industrial muy importante. Esto se debe a que es simultáneamente ligero, fuerte y resistente a la corrosión.

Fuente: Erige un Paso

También es superior al acero en términos de maquinabilidad, o la facilidad de procesarlo con herramientas de máquina.

Por último, el aluminio es un conductor mucho mejor de calor y electricidad, y es de hecho el metal utilizado en líneas de alta tensión, mientras que el cobre solo se usa para las conexiones eléctricas locales.

También se usa comúnmente en tuberías y tanques. Sin embargo, no funciona bien en este papel cuando se trata de almacenar y transportar hidrógeno. Cuando se expone al hidrógeno, sufre un proceso llamado “fragilización”, que conduce a grietas y fallas.

 Comprensión de la fragilización por hidrógeno en metales

La fragilización por hidrógeno es un fenómeno que resulta de la absorción de átomos de hidrógeno por el metal, reduciendo la ductilidad del metal o su capacidad de doblarse antes de agrietarse.

Ocurre en aceros, hierro, níquel, titanio, cobalto y sus aleaciones. El cobre, el aluminio y los aceros inoxidables son menos susceptibles a la fragilización por hidrógeno, pero aún la padecen.

La grieta se forma generalmente alrededor del grano de los compuestos metálicos, ya que allí es donde los átomos de hidrógeno se infiltran y reducen la ductilidad.

Fuente: MTC Solutions

Este es un problema recurrente para el desarrollo de una posible economía del hidrógeno, ya que los métodos tradicionales utilizados para construir tuberías, tanques y válvulas enfrentan el problema real de una rápida degradación y la formación de fugas.

Esto representa un problema para construir la infraestructura que requerirá el despliegue masivo del hidrógeno como combustible.

Aleación revolucionaria: Aluminio mejorado con escandio

Agregando escandio

Para reducir la fragilización por hidrógeno, la mejor solución es que otros elementos absorban el hidrógeno, protegiendo al metal de aluminio. Los investigadores utilizaron un método que crea nanoprecipitados de aluminio-escandio (Al3Sc).

Escandio es un elemento de tierras raras, cuya única aplicación importante se encuentra en aleaciones de aluminio. La tomografía de sonda atómica (APT) mostró que una aleación normal de aluminio-magnesio tiene un tamaño de grano promedio de 200 μm. En contraste, la aleación de aluminio-magnesio-escandio tiene un tamaño de grano promedio de solo 100 μm.

Fuente: Nature

En estos precipitados, se forma una estructura 3D altamente compleja de aluminio-magnesio-escandio (Al3(Mg,Sc)2). Parece que el escandio estabiliza la estructura y forma una capa externa de magnesio-escandio que cubre el grano de aluminio en la aleación.

Fuente: Nature

Estos nanoprecipitados duales se distribuyen por toda la aleación para cumplir dos funciones clave: la fase Al3(Mg,Sc)2 atrapa hidrógeno y mejora la resistencia al hidrógeno, mientras que las finas partículas de Al3Sc aumentan la resistencia.

 Mejorando la resistencia y durabilidad con Al₃(Mg,Sc)₂

La aleación recién inventada tiene una resistencia a la fluencia un 80 % mayor (alrededor de 100 MPa), o la tensión máxima que puede aplicarse antes de un cambio permanente de forma.

Sin embargo, también tiene un 20 % menos de elongación total a tracción, o la longitud a la que la aleación puede estirarse antes de romperse, en comparación con una aleación sin escandio.

Además, la exposición al hidrógeno es mucho menos dañina, haciendo que incluso la aleación de aluminio-magnesio-escandio cargada con hidrógeno sea más fuerte que la aleación normal de aluminio-magnesio sin hidrógeno.

Fuente: Nature

En conjunto, esto se puede resumir como un aumento del 40 % en resistencia y una mejora de cinco veces en la resistencia a la fragilización por hidrógeno en comparación con aleaciones sin escandio.

“Nuestra nueva estrategia de diseño resuelve este típico compromiso. Ya no tenemos que elegir entre alta resistencia y resistencia al hidrógeno; esta aleación ofrece ambas.”

Prof. Baptiste Gault – Jefe del grupo “atom probe tomography” en MPI-Susmat 

Validación científica de la resistencia al hidrógeno

Un análisis posterior con microscopía electrónica y modelado por computadora examinó más a fondo cómo funciona.

La microscopía electrónica demostró visualmente que los átomos de hidrógeno se acumulan en las mismas áreas ricas en escandio, confirmando el vínculo directo entre el escandio y la protección del aluminio contra la absorción de hidrógeno y la fragilización.

Fuente: Nature

También se desarrolló un modelo computacional para teorizar cómo se forman las nanoestructuras. Parece indicar que la aleación recién descubierta supera a todos los compuestos intermetálicos y defectos cristalinos conocidos que se han reportado experimentalmente o predicho teóricamente en aleaciones de aluminio hasta ahora.

Fuente: Nature

Soluciones escalables para uso industrial

Este método también fue probado por los investigadores para funcionar con varios métodos de producción de aleación de aluminio.

También demostraron la escalabilidad utilizando fundición en moldes de cobre refrigerados por agua y métodos de procesamiento termomecánico que se alinean con los estándares industriales actuales.

Esto debería convertirse en la base de una futura generación de materiales de aluminio adaptados a las exigencias de un futuro impulsado por hidrógeno: más fuertes, más seguros frente a los riesgos de fragilización y listos para su despliegue a escala industrial.

Invertir en la industria del aluminio

Alcoa: Un actor principal en la innovación del aluminio

Alcoa es una empresa global de aluminio, con presencia en todo el mundo y a lo largo de toda la cadena de suministro del aluminio, desde la mena de bauxita hasta el metal de aluminio, así como la alúmina (el producto intermedio entre la bauxita y el aluminio).

Fuente: Alcoa

La compañía tiene 41,3 Mdmt (millones de toneladas métricas secas) de operaciones de bauxita en 2024 y envía el 85 % de su envío a las refinerías de Alcoa.

Solo el 32 % de los 13,2 Mt de alúmina producida se envía a las fundiciones de Alcoa, que producen 2,6 millones de toneladas de aluminio en 2024, mientras que el resto se vende a terceros.

Fuente: Alcoa

La compañía produce aluminio en diversas formas para satisfacer los requisitos de muchas industrias manufactureras diferentes.

Fuente: Alcoa

En conjunto, la producción de aluminio es una actividad muy intensiva en energía, consumiendo electricidad directamente para la fundición, petróleo para la minería, carbón para proporcionar carbono en el proceso de fundición, así como materiales de alto consumo energético como productos químicos cáusticos.

Sin embargo, Alcoa ha realizado importantes esfuerzos para reducir su huella de carbono, convirtiéndose en líder de la industria en términos de emisiones de carbono, en parte gracias a sus instalaciones hidroeléctricas. También ofrece la línea de productos Alcoa Sustana, con emisiones de carbono reducidas y mayor contenido de metal reciclado.

Fuente: Alcoa

Los aranceles podrían afectar a la compañía, ya que las instalaciones en Canadá y Brasil (entre otros) enfrentarán aranceles elevados para vender a EE. UU. Sin embargo, la empresa también tiene instalaciones de producción en EE. UU., y el valor del aluminio producido domésticamente ha aumentado en consecuencia, lo que debería impulsar la rentabilidad de las fundiciones estadounidenses de Alcoa.

Fuente: Alcoa

En conjunto, Alcoa es una apuesta sólida sobre la popularidad continua del aluminio para la fabricación avanzada, la aeroespacial y la red eléctrica, todos sectores donde se espera que la demanda crezca en los próximos años.

Últimas noticias y desarrollos de la acción de Alcoa (AA)

Estudios referenciados:

^{1. Jiang, S., Xu, Y., Wang, R. et al. Ingeniería de fases estructuralmente complejas permite aleaciones de Al tolerantes al hidrógeno. Nature 641, 358–364 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08879-2}