Sterker, waterstofbestendig aluminiumlegering onthuld

De opkomst van aluminium: van luxe metaal tot industriële hoeksteen

Sommige metalen zijn in de loop der tijd geëvolueerd van zeldzaamheid naar een handelswaar. Dat is zeker het geval bij aluminium, dat pas in 1825 in zijn metalen vorm werd ontdekt, ondanks dat het het meest voorkomende metaal in de aardkorst is, zelfs vaker dan ijzer.

Het verschil met ijzer is dat aluminium extreem moeilijk te zuiveren is, omdat het zeer hoge temperaturen vereist. Daardoor was het aanvankelijk waardevoller dan goud en werd het alleen als luxe metaal voor sieraden en bestek gebruikt.

Napoleon zou een banket hebben gehouden waarbij de meest geëerde gasten aluminium bestek kregen, terwijl anderen genoegen moesten nemen met goud.

Naarmate betere industriële processen werden ontwikkeld, werd het het favoriete metaal voor corrosiebestendige toepassingen, evenals voor alles waarbij een laag gewicht cruciaal is, zoals de auto‑ en luchtvaartindustrie. Tegenwoordig is het ook een populair metaal voor 3D‑printtoepassingen.

Er kunnen echter nog meer verbeteringen worden aangebracht aan aluminiumlegeringen, dankzij betere nanoschaalstructuren.

Dit is wat onderzoekers van de Xi’an Jiaotong University, Shanghai Jiao Tong University, Lanzhou University, Shandong University, Hebei University of Technology, Kyushu University (Japan), Imperial College (Verenigd Koninkrijk) en het Max Planck Institute (Duitsland) hebben ontdekt.

Ze ontwikkelden een nieuw type aluminiumlegering met een 40 % hogere sterkte en een vijfvoudige toename in weerstand tegen waterstof, waardoor nieuwe toepassingen voor aluminium in een toekomstige waterstofeconomie mogelijk worden.

Ze publiceerden hun bevindingen in het prestigieuze tijdschrift Nature¹, onder de titel “Structurally complex phase engineering enables hydrogen-tolerant Al alloys”.

De rol van aluminium in een toekomstige waterstofeconomie

Zodra de mensheid ontdekte hoe ze voldoende hoge temperaturen konden bereiken om aluminium te smelten, werd het een zeer belangrijk industrieel metaal. Dit komt doordat het tegelijk licht, sterk en corrosiebestendig is.

Bron: Erect a Step

Het is ook superieur aan staal wat betreft bewerkbaarheid, oftewel de gemakkelijke verwerking met machinegereedschap.

Ten slotte is aluminium een veel betere geleider van warmte en elektriciteit, en wordt het daadwerkelijk gebruikt in hoogspanningsleidingen, terwijl koper alleen voor lokale elektrische aansluitingen wordt gebruikt.

Het wordt ook vaak gebruikt in pijpen en tanks. Echter, het presteert slecht in deze rol bij het opslaan en transporteren van waterstof. Wanneer het wordt blootgesteld aan waterstof, ondergaat het een proces dat “brosheid” wordt genoemd, wat leidt tot scheuren en falen.

 Begrijpen van waterstofbrosheid in metalen

Waterstofbrosheid is een fenomeen dat ontstaat wanneer metaal waterstofatomen opneemt, waardoor de ductiliteit van het metaal of het vermogen om te buigen vóór het scheuren afneemt.

Het treedt op in staal, ijzer, nikkel, titanium, kobalt en hun legeringen. Koper, aluminium en roestvrij staal zijn minder vatbaar voor waterstofbrosheid, maar ondervinden het toch.

De scheur ontstaat meestal rond de korrel van de metalen verbindingen, omdat daar de waterstofatomen binnendringen en de ductiliteit verminderen.

Bron: MTC Solutions

Dit is een terugkerend probleem voor de ontwikkeling van een potentiële waterstofeconomie, omdat traditionele methoden voor het bouwen van pijpleidingen, tanks en kleppen te maken krijgen met het reële probleem van snelle degradatie en het ontstaan van lekken.

Dit vormt een probleem voor het bouwen van de infrastructuur die een massale inzet van waterstof als brandstof vereist.

Doorbraaklegering: met scandium versterkt aluminium

Scandium toevoegen

Om waterstofbrosheid te verminderen, is de beste oplossing dat andere elementen de waterstof absorberen, waardoor het aluminiummetaal wordt beschermd. De onderzoekers gebruikten een methode die aluminium‑scandium (Al3Sc) nanoverkristallen creëert.

Scandium is een zeldzaam aardmetaal, waarvan de enige belangrijke toepassing in aluminiumlegeringen ligt. Atom probe tomography (APT) toonde aan dat een normale aluminium‑magnesiumlegering een gemiddelde korrelgrootte van 200 μm heeft. Daarentegen heeft de aluminium‑magnesium‑scandiumlegering een gemiddelde korrelgrootte van slechts 100 μm.

Bron: Nature

Op deze precipitaten vormt zich een zeer complexe 3D-structuur van aluminium‑magnesium‑scandium (Al3(Mg,Sc)2). Het lijkt erop dat scandium de structuur stabiliseert en een buitenste schaal van magnesium‑scandium vormt die de aluminiumkorrel in de legering bedekt.

Bron: Nature

Deze dubbele nanoverkristallen zijn door de legering verspreid om twee belangrijke rollen te vervullen: de Al3(Mg,Sc)2-fase vangt waterstof op en verhoogt de waterstofweerstand, terwijl de fijne Al3Sc‑deeltjes de sterkte verhogen.

 Versterken van sterkte en duurzaamheid met Al₃(Mg,Sc)₂

De nieuw uitgevonden legering heeft een 80 % hogere vloeigrens (ongeveer 100 MPa), oftewel de maximale spanning die kan worden aangelegd voordat permanente vervorming optreedt.

Het heeft echter ook 20 % minder totale trekverlenging, oftewel de lengte waarop de legering kan worden uitgerekt voordat hij breekt, vergeleken met een scandiumvrije legering.

Bovendien is blootstelling aan waterstof veel minder schadelijk, waardoor zelfs een met waterstof beladen aluminium‑magnesium‑scandiumlegering sterker is dan de waterstofvrije normale aluminium‑magnesiumlegering.

Bron: Nature

Over het geheel genomen kan dit worden samengevat als een 40 % toename in sterkte en een vijfvoudige verbetering in waterstofbrosheidsweerstand vergeleken met scandiumvrije legeringen.

“Onze nieuwe ontwerpstrategie lost dit typische compromis op. We hoeven niet langer te kiezen tussen hoge sterkte en waterstofweerstand – deze legering levert beide.”

Pr. Baptiste Gault – Head of the group “atom probe tomography” at MPI-Susmat 

Wetenschappelijke validatie van waterstofweerstand

Latere analyse met elektronenmicroscopie en computermodellering keek dieper naar hoe het werkt.

De elektronenmicroscopie toonde visueel aan dat de waterstofatomen zich inderdaad ophopen in dezelfde gebieden die rijk zijn aan scandium, wat de directe link bevestigt tussen scandium en de bescherming van aluminium tegen waterstofabsorptie en brosheid.

Bron: Nature

Er werd ook een computermodel ontwikkeld om te theoretiseren hoe de nanostructuren ontstaan. Het lijkt erop dat de nieuw ontdekte legering alle bekende intermetallische verbindingen en kristaldefecten die tot nu toe experimenteel gerapporteerd of theoretisch voorspeld zijn in aluminiumlegeringen, overtreft.

Bron: Nature

Schaalbare oplossingen voor industrieel gebruik

Deze methode werd door onderzoekers ook getest om te werken met verschillende productiemethoden van aluminiumlegeringen.

Ze toonden ook schaalbaarheid aan door gebruik te maken van watergekoelde koperen malgieten en thermomechanische verwerkingsmethoden die aansluiten bij de huidige industriële normen.

Dit zou de basis moeten vormen voor een toekomstige generatie aluminiummaterialen die zijn afgestemd op de eisen van een waterstofaangedreven toekomst: sterker, veiliger tegen brosheidsrisico’s, en klaar voor inzet op industriële schaal.

Investeren in de aluminiumindustrie

Alcoa: Een belangrijke speler in aluminiuminnovatie

Alcoa is een wereldwijd aluminiumbedrijf, met een aanwezigheid over de hele wereld, en over de volledige aluminiumtoeleveringsketen, van bauxieterts tot aluminiummetaal, evenals alumina (het tussenproduct tussen bauxiet en aluminium).

Bron: Alcoa

Het bedrijf heeft in 2024 41,3 Mdmt (miljoen droge metrische ton) bauxietactiviteiten en stuurt 85 % van de zendingen naar Alcoa‑raffinaderijen.

Alleen 32 % van de 13,2 Mt geproduceerde alumina wordt naar Alcoa‑gietplaatsen gestuurd, die in 2024 2,6 miljoen ton aluminium produceren, terwijl de rest aan derden wordt verkocht.

Bron: Alcoa

Het bedrijf produceert aluminium in verschillende vormen om te voldoen aan de eisen van vele verschillende productie‑industrieën.

Bron: Alcoa

Aluminiumproductie is over het algemeen een zeer energie‑intensieve activiteit, waarbij elektriciteit direct wordt gebruikt voor het smelten, olie voor de winning, kolen om koolstof in het smeltproces te leveren, evenals energie‑intensieve materialen zoals bijtende chemicaliën.

Desondanks heeft Alcoa aanzienlijke inspanningen geleverd om haar ecologische voetafdruk te verkleinen, waardoor het een industriële koploper is op het gebied van CO₂‑emissies, mede dankzij waterkrachtcentrales. Het biedt ook de Alcoa Sustana‑productlijn aan, met verminderde CO₂‑emissies en een hoger gehalte aan gerecycled metaal.

Bron: Alcoa

Tarieven kunnen het bedrijf beïnvloeden, aangezien faciliteiten in Canada en Brazilië (onder andere) hoge tarieven zullen moeten betalen om naar de VS te exporteren. Het bedrijf heeft echter ook productiefaciliteiten in de VS, en de waarde van in‑land geproduceerd aluminium is dienovereenkomstig gestegen, wat de winstgevendheid van de Amerikaanse gieterijen van Alcoa zou moeten verhogen.

Bron: Alcoa

Over het geheel genomen is Alcoa een solide inzet op de blijvende populariteit van aluminium voor geavanceerde productie, luchtvaart en energienetwerken, sectoren waarin de vraag naar verwachting de komende jaren zal groeien.

Laatste Alcoa (AA) aandelennieuws en ontwikkelingen

Gerefereerde studies:

^{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}