Wie sich Wasserstoff in Aluminiumlegierungen verhält

Forschungsteam des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung veröffentlicht neueste Erkenntnisse in der Zeitschrift Nature

Dank geringer Dichte, hoher Festigkeit und Verfügbarkeit werden Aluminium und seine Legierungen in großem Umfang verwendet. Beispielsweise im Bauwesen, in der Unterhaltungselektronik und für Fahrzeuge wie Autos, Schiffe, Züge und Flugzeuge. Aluminiumlegierungen sind jedoch anfällig für Wasserstoffversprödung, welche zu katastrophalen Ausfällen führen kann, wenn sie nicht rechtzeitig erkannt wird. Im Vergleich zu Stahl sind die Auswirkungen von Wasserstoff in Aluminium noch nicht ausreichend erforscht. Dr. Huan Zhao, Postdoktorandin am Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE), und ihre Kolleg*innen analysierten, wie Wasserstoff Aluminiumlegierungen versprödet und fanden erste Ansätze, diesen Effekt zu verhindern. Ihre neuesten Ergebnisse haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Korngrenzen spielen eine wichtige Rolle bei der Versprödung

"Da Wasserstoff das kleinste aller Elemente ist und sich kaum in Aluminium löst, ist es äußerst schwierig, ihn auf atomarer Ebene nachzuweisen. Gelangt Wasserstoff in Aluminium und wenn ja, in welcher Menge?  Wo befindet er sich in der Mikrostruktur und wie beeinflusst er die Eigenschaften? All diese Fragen waren bisher ungelöst", erklärt Zhao. Die MPIE-Wissenschaftler*innen verwendeten sogenanntes 7xxx-Aluminium, eine hochfeste Aluminiumklasse, die vor allem für Strukturbauteile von Flugzeugen verwendet wird. Sie beluden ihre Proben mit Wasserstoff und führten Zugversuche durch, die zeigten, dass die Duktilität mit zunehmender Menge an Wasserstoff abnimmt.

Die Bruchfläche zeigte, dass sich Risse vor allem entlang der Korngrenzen ausbreiten. Mit Hilfe der Kryo-Transfer-Atomsondentomographie konnten die Wissenschaftler*innen nachweisen, dass sich der Wasserstoff entlang dieser Korngrenzen sammelte. „Unsere Experimente konnten zeigen, dass die Menge des Wasserstoffs an Partikeln im Inneren der Masse viel höher ist als an Korngrenzen. Der Wasserstoff versprödet das Material jedoch nur an den Korngrenzen. Mit Hilfe von Computersimulationen stellten wir fest, dass der Wasserstoff von den hochenergetischen Bereichen entlang der Korngrenzen angezogen wird und zum Versagen des Materials führt, während die Partikel in der Masse eher als Wasserstofffallen wirken, die die Rissausbreitung verhindern", sagt Dr. Poulami Chakraborty, Mitautorin der aktuellen Veröffentlichung und Postdoktorandin am MPIE.

Intermetallische Partikel könnten eine erste Lösung sein

Die MPIE-Forscherinen und Forscher konnten zeigen, wo sich der Wasserstoff befindet, nachdem er bei der Verarbeitung oder bei der Nutzung des Materials eingedrungen ist. Da dies nicht wirklich verhindert werden kann, ist es wichtig, sein Einfangen zu kontrollieren. Sie empfehlen verschiedene Strategien gegen Wasserstoffversprödung, insbesondere die Verwendung intermetallischer Partikel, die den Wasserstoff im Inneren des Materials einschließen können. Darüber hinaus scheint die Kontrolle des Magnesiumgehalts an den Korngrenzen entscheidend zu sein. „Magnesium in Verbindung mit Wasserstoff an den Korngrenzen erhöht die Versprödung", sagt Zhao. „Gleichzeitig müssen wir die richtige Größe und den richtigen Volumenanteil der Partikel in der Masse kontrollieren, um Wasserstoff einzuschließen und gleichzeitig die Festigkeit des Materials zu erhalten. Weitere Studien werden durchgeführt um die "perfekte" Partikelverteilung zu definieren und die Verteilung von Magnesium an den Korngrenzen zu verhindern, um hochfeste, wasserstoffbeständige Aluminiumlegierungen zu entwickeln.

Die Forschung wurde teilweise durch den Consolidator Grant "Shine" des Europäischen Forschungsrats finanziert. Das Projekt wird von Prof. Baptiste Gault geleitet, Gruppenleiter am MPIE und Mitautor der Veröffentlichung.

Huan Zhao, Poulami Chakraborty, Dirk Ponge, Tilmann Hickel, Binhan Sun, Chun-Hung Wu, Baptiste Gault, and Dierk Raabe, "Hydrogen trapping and embrittlement in high-strength Al-alloys," Nature 602, 437-441 (2022).

Autorin: Yasmin Ahmed Salem

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