Sterkere, hydrogenbestandig aluminiumlegering avdekket

Aluminiumens fremvekst: Fra luksusmetall til industriell hovedpilar

Noen metaller har over tid utviklet seg fra sjeldenhet til en vare. Dette er definitivt tilfelle med aluminium, som først ble oppdaget i sin metallform i 1825, til tross for at det er det mest forekommende metallet i jordens skorpe, enda mer vanlig enn jern.

Forskjellen med jern er at aluminium er ekstremt vanskelig å raffinere, og krever svært høye temperaturer. Som et resultat var det i begynnelsen mer verdifullt enn gull, og ble kun brukt som et luksusmetall for smykker og bestikk.

Napoleon skal ha holdt et bankett hvor de mest ærede gjestene fikk aluminiumbestikk, mens andre måtte nøye seg med gull.

Etter hvert som bedre industrielle prosesser ble utviklet, ble det det foretrukne metallet for korrosjonsbestandige anvendelser, samt alt der lav vekt er avgjørende, som i bil- og romfartssektoren. I dag er det også et populært metall for 3D‑utskrift.

Likevel kan det sannsynligvis gjøres flere forbedringer av aluminiumlegeringer, takket være bedre nanoskala strukturer.

Dette er hva forskere ved 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) oppdaget.

De utviklet en ny type aluminiumlegering med 40 % økt styrke og femdoblet motstand mot hydrogen, noe som åpner for nye anvendelser av aluminium i en fremtidig hydrogenøkonomi.

De publiserte sine funn i den prestisjetunge tidsskriftet Nature¹, under tittelen “Structurally complex phase engineering enables hydrogen-tolerant Al alloys”.

Aluminiumens rolle i en fremtidig hydrogenøkonomi

Så snart menneskeheten fant ut hvordan man kan oppnå høye nok temperaturer for å smelte aluminium, ble det et svært viktig industrielt metall. Dette skyldes at det samtidig er lett, sterkt og korrosjonsbestandig.

Kilde: Erect a Step

Det er også overlegent steelen når det gjelder maskinbearbeidbarhet, altså hvor lett det kan bearbeides med maskinverktøy.

Til slutt er aluminium en langt bedre leder av varme og elektrisitet, og er faktisk metallet som brukes i høyspente kraftlinjer, mens kobber kun brukes til lokale elektriske tilkoblinger.

Det brukes også vanligvis i rør og tanker. Imidlertid presterer det dårlig i denne rollen når det gjelder lagring og transport av hydrogen. Når det utsettes for hydrogen, gjennomgår det en prosess kalt «embrittlement», som fører til sprekker og svikt.

 Forstå hydrogenembrittlement i metaller

Hydrogenembrittlement er et fenomen som oppstår når metall absorberer hydrogenatomer, noe som reduserer metallens duktilitet eller evne til å bøye seg før det sprekker.

Det forekommer i stål, jern, nikkel, titan, kobolt og deres legeringer. Kobber, aluminium og rustfritt stål er mindre utsatt for hydrogenembrittlement, men påvirkes fortsatt.

Sprekker dannes vanligvis rundt korngrenser i de metalliske forbindelsene, da dette er hvor hydrogenatomene infiltrerer og reduserer duktiliteten.

Kilde: MTC Solutions

Dette er et tilbakevendende problem for utviklingen av en potensiell hydrogenøkonomi, da tradisjonelle metoder for bygging av rørledninger, tanker og ventiler møter det reelle problemet med rask nedbrytning og lekkasjedannelse.

Dette er et problem for bygging av infrastrukturen som masseutplassering av hydrogen som drivstoff vil kreve.

Gjennombruddslegering: Skandiumforsterket aluminium

Tilsetting av skandium

For å redusere hydrogenembrittlement er den beste løsningen at andre elementer absorberer hydrogenet, og beskytter aluminiummetallet mot det. Forskerne brukte en metode som skaper aluminium‑skandium (Al3Sc) nanoprekipitat.

Skandium er et sjeldent jordmetall, hvis eneste store anvendelse ligger i aluminiumlegeringer. Atomprobe‑tomografi (APT) viste at en vanlig aluminium‑magnesiumlegering har en gjennomsnittlig kornstørrelse på 200 μm. Til sammenligning har aluminium‑magnesium‑skandiumlegeringen kun en gjennomsnittlig kornstørrelse på 100 μm.

Kilde: Nature

På disse presipitatene dannes en svært kompleks 3D‑struktur av aluminium‑magnesium‑skandium (Al3(Mg,Sc)2). Det ser ut til at skandium stabiliserer strukturen og danner et ytre skall av magnesium‑skandium som dekker aluminiumkornet i legeringen.

Kilde: Nature

Disse doble nanoprekipitatene er fordelt gjennom hele legeringen for å utføre to viktige roller: Al3(Mg,Sc)2‑fasen fanger hydrogen og øker motstanden mot hydrogen, mens de fine Al3Sc‑partiklene øker styrken.

 Øke styrke og holdbarhet med Al₃(Mg,Sc)₂

Den nyoppfunnede legeringen har 80 % høyere flytegrense (omtrent 100 MPa), altså den maksimale belastningen som kan påføres før permanent formendring.

Den har imidlertid 20 % mindre total strekkforlengelse, altså lengden legeringen kan strekkes før den ryker, sammenlignet med en skandiumfri legering.

I tillegg er eksponering for hydrogen mye mindre skadelig, noe som gjør selv hydrogenladet aluminium‑magnesium‑skandiumlegering sterkere enn den hydrogenfrie normale aluminium‑magnesiumlegeringen.

Kilde: Nature

Samlet sett kan dette oppsummeres som 40 % økt styrke og en femdoblet forbedring i motstand mot hydrogenembrittlement sammenlignet med skandiumfrie legeringer.

“Vår nye designstrategi løser dette typiske kompromisset. Vi trenger ikke lenger å velge mellom høy styrke og hydrogenmotstand – denne legeringen leverer begge.”
Pr. Baptiste Gault – Leder for gruppen “atom probe tomography” at MPI-Susmat

Vitenskapelig validering av hydrogenmotstand

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

Elektronmikroskopien viste visuelt at hydrogenatomene faktisk samler seg i de samme områdene som er rike på skandium, og beviser den direkte koblingen mellom skandium og beskyttelsen av aluminium mot hydrogenabsorpsjon og embrittlement.

Kilde: Nature

En datamodell ble også utviklet for å teoretisere hvordan nanostrukturene dannes. Den ser ut til å indikere at den nyoppdagede legeringen overgår alle kjente intermetalliske forbindelser og krystalldefekter som hittil er eksperimentelt rapportert eller teoretisk forutsagt i aluminiumlegeringer.

Kilde: Nature

Skalerbare løsninger for industriell bruk

Denne metoden ble også testet av forskere for å fungere med ulike metoder for produksjon av aluminiumlegering.

De demonstrerte også skalerbarhet ved å bruke vannkjølt kobberformstøping og termomekaniske bearbeidingsmetoder som er i tråd med nåværende industristandarder.

Dette bør bli grunnlaget for en fremtidig generasjon av aluminiummaterialer tilpasset kravene i en hydrogen-drevet fremtid: sterkere, tryggere mot embrittlement‑risiko, og klar for implementering i industriell skala.

Investering i aluminiumindustrien

Alcoa: En viktig aktør innen aluminiuminnovasjon

Alcoa er et globalt aluminiumsselskap, med tilstedeværelse over hele verden, og dekker hele aluminiumforsyningskjeden, fra bauxittmalm til aluminiummetall, samt alumina (det mellomliggende produktet mellom bauxitt og aluminium).

Kilde: Alcoa

Selskapet har 41,3 Mdmt (millioner tørre metriske tonn) bauxittoperasjoner i 2024 og sender 85 % av sin forsendelse til Alcoa‑raffinerier.

Kun 32 % av de 13,2 Mt produserte alumina sendes til Alcoa‑støperier, som produserer 2,6 millioner tonn aluminium i 2024, mens resten selges til tredjepart.

Kilde: Alcoa

Selskapet produserer aluminium i ulike former for å møte kravene fra mange forskjellige produksjonsindustrier.

Kilde: Alcoa

Generelt er aluminiumproduksjon en svært energikrevende aktivitet, som bruker elektrisitet direkte til smelting, olje til gruvedrift, kull for å tilføre karbon i smelteprosessen, samt energikrevende materialer som kaustisk kjemikalier.

Likevel har Alcoa gjort betydelige innsats for å redusere sitt karbonavtrykk, og er dermed en bransjeleder når det gjelder karbonutslipp, delvis takket være vannkraftanlegg. De tilbyr også produktlinjen Alcoa Sustana, med reduserte karbonutslipp og høyere innhold av resirkulert metall.

Kilde: Alcoa

Tollsatser kan påvirke selskapet, ettersom anlegg i Canada og Brasil (blant andre) vil møte høye tollsatser for salg til USA. Imidlertid har selskapet også produksjonsanlegg i USA, og verdien av innenlands produsert aluminium har steget tilsvarende, noe som bør øke lønnsomheten til Alcoas amerikanske støperier.

Kilde: Alcoa

Alt i alt er Alcoa en solid investering i den vedvarende populariteten til aluminium for avansert produksjon, romfart og strømnett, alle sektorer hvor etterspørselen forventes å vokse i de kommende årene.

Siste nyheter og utviklinger for Alcoa (AA) aksjer

Refererte studier:

^{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}