Alliage d’aluminium plus résistant et résistant à l’hydrogène dévoilé

L’essor de l’aluminium: du métal de luxe à pilier industriel

Certains métaux ont évolué au fil du temps, passant de la rareté à une marchandise. C’est certainement le cas de l’aluminium, qui n’a été découvert sous forme métallique qu’en 1825, malgré le fait qu’il soit le métal le plus abondant dans la croûte terrestre, encore plus commun que le fer.

La différence avec le fer est que l’aluminium est extrêmement difficile à raffiner, nécessitant des températures très élevées. En conséquence, il était initialement plus précieux que l’or et n’était utilisé que comme métal de luxe pour les bijoux et les couverts.

On raconte que Napoléon a organisé un banquet où les invités les plus honorés recevaient des ustensiles en aluminium tandis que les autres se contentaient d’or.

À mesure que de meilleurs procédés industriels ont été inventés, il est devenu le métal de référence pour les applications résistantes à la corrosion, ainsi que pour tout ce où le poids léger joue un rôle clé, comme les applications automobiles et aérospatiales. Aujourd’hui, il est également un métal populaire pour les applications d’impression 3D.

Toutefois, d’autres améliorations peuvent probablement être apportées aux alliages d’aluminium, grâce à de meilleures structures à l’échelle nanométrique.

C’est ce que les chercheurs travaillant à l’Université Xi’an Jiaotong, à l’Université Shanghai Jiao Tong, à l’Université de Lanzhou, à l’Université de Shandong, à l’Université de technologie du Hebei, à l’Université de Kyushu (Japon), à l’Imperial College (Royaume‑Uni) et à l’Institut Max Planck (Allemagne) ont découvert.

Ils ont développé un nouveau type d’alliage d’aluminium avec une augmentation de 40 % de la résistance et une multiplication par cinq de la résistance à l’hydrogène, ouvrant la voie à de nouvelles applications de l’aluminium dans une future économie de l’hydrogène.

Ils ont publié leurs résultats dans la prestigieuse revue Nature¹, sous le titre « Structurally complex phase engineering enables hydrogen-tolerant Al alloys ».

Le rôle de l’aluminium dans une future économie de l’hydrogène

Dès que l’humanité a compris comment produire des températures suffisamment élevées pour fondre l’aluminium, il est devenu un métal industriel très important. Cela parce qu’il est à la fois léger, résistant et résistant à la corrosion.

Source: Erect a Step

Il est également supérieur à l’acier en termes de machinabilité, c’est‑à‑dire la facilité de le travailler avec des machines-outils.

Enfin, l’aluminium est un bien meilleur conducteur de chaleur et d’électricité, et c’est en fait le métal utilisé dans les lignes à haute tension, le cuivre n’étant utilisé que pour les connexions électriques locales.

Il est également couramment utilisé dans les tuyaux et les réservoirs. Cependant, il ne fonctionne pas bien dans ce rôle lorsqu’il s’agit de stocker et de transporter l’hydrogène. Lorsqu’il est exposé à l’hydrogène, il subit un processus appelé « embrittlement », entraînant des fissures et des défaillances.

 Comprendre l’embrittlement à l’hydrogène dans les métaux

L’embrittlement à l’hydrogène est un phénomène qui résulte de l’absorption d’atomes d’hydrogène par le métal, réduisant la ductilité du métal ou sa capacité à se plier avant de se fissurer.

Il se produit dans les aciers, le fer, le nickel, le titane, le cobalt et leurs alliages. Le cuivre, l’aluminium et les aciers inoxydables sont moins susceptibles à l’embrittlement à l’hydrogène mais en souffrent néanmoins.

La fissure se forme généralement autour du grain des composés métalliques, car c’est là que les atomes d’hydrogène s’infiltrent et réduisent la ductilité.

Source: MTC Solutions

C’est un problème récurrent pour le développement d’une éventuelle économie de l’hydrogène, car les méthodes traditionnelles utilisées pour construire des pipelines, des réservoirs et des vannes sont confrontées au problème réel de dégradation rapide et de formation de fuites.

C’est un problème pour la construction de l’infrastructure que nécessitera le déploiement massif de l’hydrogène comme carburant.

Alliage révolutionnaire: aluminium renforcé au scandium

Ajout de scandium

Pour réduire l’embrittlement à l’hydrogène, la meilleure solution est que d’autres éléments absorbent l’hydrogène, protégeant ainsi le métal aluminium. Les chercheurs ont utilisé une méthode créant des nanoprécipitates d’aluminium‑scandium (Al3Sc).

Le scandium est un élément de terres rares, dont la seule grande application se trouve dans les alliages d’aluminium. La tomographie à sonde atomique (APT) a montré qu’un alliage aluminium‑magnésium normal a une taille moyenne de grain de 200 μm. En revanche, l’alliage aluminium‑magnésium‑scandium a une taille moyenne de grain de seulement 100 μm.

Source: Nature

Sur ces précipités, une structure 3D très complexe d’aluminium‑magnésium‑scandium (Al3(Mg,Sc)2) se forme. Il semble que le scandium stabilise la structure et forme une coque extérieure de magnésium‑scandium recouvrant le grain d’aluminium dans l’alliage.

Source: Nature

Ces nanoprécipitates doubles sont répartis dans tout l’alliage pour remplir deux rôles clés: la phase Al3(Mg,Sc)2 piège l’hydrogène et améliore la résistance à l’hydrogène, tandis que les fines particules Al3Sc augmentent la résistance.

 Renforcer la résistance et la durabilité avec Al₃(Mg,Sc)₂

Le nouvel alliage inventé possède une résistance à la traction 80 % plus élevée (environ 100 MPa), soit la contrainte maximale pouvant être appliquée avant un changement de forme permanent.

Cependant, il présente également 20 % d’allongement en traction total inférieur, c’est‑à‑dire la longueur à laquelle l’alliage peut être étiré avant de se rompre, comparé à un alliage sans scandium.

De plus, l’exposition à l’hydrogène est beaucoup moins dommageable, rendant même l’alliage aluminium‑magnésium‑scandium chargé en hydrogène plus résistant que l’alliage aluminium‑magnésium normal sans hydrogène.

Source: Nature

Dans l’ensemble, cela se résume à une augmentation de 40 % de la résistance et à une amélioration de cinq fois la résistance à l’embrittlement à l’hydrogène par rapport aux alliages sans scandium.

“Notre nouvelle stratégie de conception résout ce compromis typique. Nous n’avons plus à choisir entre haute résistance et résistance à l’hydrogène – cet alliage offre les deux.”
Pr. Baptiste Gault – Head of the group “atom probe tomography” at MPI-Susmat 

Validation scientifique de la résistance à l’hydrogène

Une analyse ultérieure avec microscopie électronique et modélisation informatique a examiné plus en profondeur son fonctionnement.

La microscopie électronique a démontré visuellement que les atomes d’hydrogène s’accumulent effectivement dans les mêmes zones riches en scandium, prouvant le lien direct entre le scandium et la protection de l’aluminium contre l’absorption d’hydrogène et l’embrittlement.

Source: Nature

Un modèle informatique a également été développé pour théoriser la formation des nanostructures. Il semble indiquer que le nouvel alliage découvert dépasse tous les composés inter-métalliques et défauts cristallins connus qui ont été rapportés expérimentalement ou prédits théoriquement dans les alliages d’aluminium jusqu’à présent.

Source: Nature

Solutions évolutives pour une utilisation industrielle

Cette méthode a également été testée par les chercheurs pour fonctionner avec diverses méthodes de production d’alliage d’aluminium.

Ils ont également démontré l’évolutivité en utilisant le moulage en cuivre refroidi à l’eau et des procédés thermo‑mécaniques conformes aux normes industrielles actuelles.

Cela devrait devenir la base d’une future génération de matériaux en aluminium adaptés aux exigences d’un avenir alimenté par l’hydrogène: plus forts, plus sûrs face aux risques d’embrittlement, et prêts à être déployés à l’échelle industrielle.

Investir dans l’industrie de l’aluminium

Alcoa: un acteur majeur de l’innovation en aluminium

Alcoa est une entreprise mondiale d’aluminium, présente partout dans le monde, et couvrant l’ensemble de la chaîne d’approvisionnement en aluminium, du minerai de bauxite au métal d’aluminium, ainsi que l’alumine (le produit intermédiaire entre la bauxite et l’aluminium).

Source: Alcoa

L’entreprise possède 41,3 Mdmt (millions de tonnes métriques sèches) d’opérations de bauxite en 2024 et envoie 85 % de son expédition aux raffineries d’Alcoa.

Seulement 32 % des 13,2 Mt d’alumine produite sont envoyés aux fonderies d’Alcoa, qui produisent 2,6 millions de tonnes d’aluminium en 2024, le reste étant vendu à des tiers.

Source: Alcoa

L’entreprise produit de l’aluminium sous diverses formes afin de répondre aux exigences de nombreuses industries manufacturières.

Source: Alcoa

Dans l’ensemble, la production d’aluminium est une activité très énergivore, consommant de l’électricité directement pour la fusion, du pétrole pour l’exploitation minière, du charbon pour fournir du carbone dans le processus de fusion, ainsi que des matériaux à forte consommation d’énergie comme les produits chimiques caustiques.

Cependant, Alcoa a déployé d’importants efforts pour réduire son empreinte carbone, en faisant un leader du secteur en matière d’émissions de carbone, en partie grâce à ses installations hydroélectriques. Elle propose également la gamme de produits Alcoa Sustana, avec des émissions de carbone réduites et une teneur plus élevée en métal recyclé.

Source: Alcoa

Les tarifs pourraient impacter l’entreprise, car les installations au Canada et au Brésil (entre autres) devront faire face à des tarifs élevés pour vendre aux États‑Unis. Cependant, l’entreprise possède également des installations de production aux États‑Unis, et la valeur de l’aluminium produit localement a augmenté en conséquence, ce qui devrait améliorer la rentabilité des fonderies américaines d’Alcoa.

Source: Alcoa

Dans l’ensemble, Alcoa représente un pari solide sur la popularité continue de l’aluminium pour la fabrication avancée, l’aérospatiale et le réseau électrique, tous des secteurs où la demande devrait croître dans les années à venir.

Dernières actualités et développements des actions Alcoa (AA)

Études référencées:

^{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}