Neue Legierung gegen Wasserstoffversprödung
Material aus Aluminium und Scandium verringert die Versprödungsgefahr deutlich.
Aluminiumlegierungen sind für ihr geringes Gewicht und ihre Korrosionsbeständigkeit bekannt – Eigenschaften, die sie zu idealen Materialien für eine CO2-freie Wirtschaft machen. Ob im Leichtbau von Fahrzeugen oder als Speichertanks für grünen Wasserstoff: Der Bedarf an Aluminium wird mit dem Übergang zu nachhaltigen Technologien weiter steigen. Ein großes Hindernis ist jedoch die Wasserstoffversprödung. Aluminium neigt bei Kontakt mit Wasserstoff dazu, Risse zu bilden. Wasserstoffresistente Legierungen waren bisher zu weich, um sie für High-Tech-Anwendungen zu nutzen. Ein internationales Forschungsteam – darunter Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Materialien (MPI-SusMat) – hat nun eine innovative Lösung gefunden: sie entwickelten eine Designstrategie, die es ihnen ermöglicht besonders feste und gleichzeitig gegen Versprödung resistente Legierungen zu entwickeln.
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Durch eine zweistufige Wärmebehandlung haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler feine Nanopartikel aus Al3Sc hergestellt. Diese werden von einer Hülle aus Al3(Mg,Sc)2 umschlossen. Beide Partikelarten sind in der gesamten Aluminium-Magnesium-Legierungen verteilt und erfüllen zwei wichtige Funktionen: die feinen Al3Sc-Partikel erhöhen die Festigkeit, während die Al3(Mg,Sc)2 Partikel die Wasserstoffbeständigkeit erhöhen.
„Bisher mussten wir uns zwischen einer Legierung mit hoher Festigkeit oder einer Wasserstoff-resistenten Legierung entscheiden. Unsere neue Strategie vereint erstmals beides“, sagt Baptiste Gault, Leiter der Atomsondentomographie-Gruppe. Die neue Legierung weist eine um vierzig Prozent höhere Festigkeit und eine fünfmal bessere Wasserstoffversprödungsresistenz im Vergleich zu Scandium-freien Legierungen auf. Trotz der Beladung mit Wasserstoff bleibt die Legierung duktil und bildet keine Wasserstoff-bedingten Risse.
Die Atomsonden-Messungen waren entscheidend für die Überprüfung der Rolle der Al3(Mg,Sc)2 Partikel bei der Wasserstoffspeicherung auf atomarer Ebene und lieferten Erkenntnisse darüber, wie das Legierungsdesign funktioniert. Die an den Partnerinstituten durchgeführten Experimente umfassten Elektronenmikroskopie und Computersimulationen. Die Forschenden übertrugen ihre Strategie auch auf andere Aluminiumlegierungen und konnten vergleichbare Verbesserungen erzielen.
Darüber hinaus testeten sie das Verfahren erfolgreich unter industrierelevanten Bedingungen, wie dem Kupferkokillenguss und der thermomechanischen Verarbeitung. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass diese Strategie nicht nur im Labor funktioniert, sondern auch für die industrielle Anwendung geeignet ist“, sagt Gault. Diese neue Designstrategie für Aluminiumlegierungen könnte so einen wichtigen Beitrag zur Sicherheit und Langlebigkeit von Komponenten in einer Wasserstoffwirtschaft leisten.
MPI-SusMat / JOL
