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她，Nature一作+通讯！破解航空铝合金氢脆现象之谜

来源：科学10分钟时间：2022-05-05 09:20:03 浏览：2370次

在航空航天领域，由于具有密度低、比强度高、耐腐蚀强、塑性和加工性能良好、成本低等一系列优点，高强度铝合金（如7xxx系列合金）一直稳坐飞机主体结构材料的“头把交椅”。它不仅能够减轻飞机的结构重量，提高载重量和航程，而且高强铝合金还能保证飞机性能的稳定。近年来，由于复合材料和钛合金的用量增加，最新设计的飞机中铝合金的用量相对减少，但高纯、高强、高韧、耐蚀的高性能铝合金用量却在增加。

然而，高强度铝合金在使用过程中存在氢脆和应力腐蚀开裂等与氢有关的破坏行为，使其性能的进一步提高受到了阻碍。如果不能及早发现，这种氢脆现象将会导致严重的灾难性故障。遗憾地是，目前为止，科学家们对铝合金中氢脆现象的具体机制尚不清楚，比如氢如何渗透材料，以及它如何与普遍存在的微观结构（如晶界或第二相）进行相互作用，并导致机械性能的灾难性恶化。其中，关键的挑战在于如何对铝合金内部的氢元素进行原子尺度上的检测和表征分析。

近日，来自德国马克斯普朗克铁研究所(MPIE）的Baptiste Gault教授、Dierk Raabe教授研究团队通过使用低温原子探针断层扫描技术（APT），实现了捕获在高强度7xxx铝合金中第二相颗粒和晶界处的氢的近原子级分析。结果发现，晶界（GB）在氢脆效应中其主要作用，氢会被晶界的高能区域吸引，沿着晶界聚集，导致材料失效；而第二相中颗粒更像是氢陷阱，能够阻碍裂纹的扩展。基于这些发现，研究团队还提出了一种减少氢脆现象的有效策略，即通过金属间化合物颗粒捕获氢。该工作不仅加深了人们对铝合金中氢脆现象的机理理解，还为开发下一代高性能铝合金提供了重要的指导方针！

研究成果以题为“Hydrogen trapping and embrittlement in high-strength Al alloys”，发表在Nature上。值得一提的是，来自德国马克斯普朗克铁研究所的中国留学生赵欢博士(在MPIE从事博士后研究)为文章的第一作者和通讯作者，MPIE的Dierk Raabe教授和Baptiste Gault教授为共同通讯作者。

氢脆效应的本质---氢被晶界的高能区域吸引，沿着晶界聚集，导致材料失效

“由于氢是所有元素中最小的元素，并且在铝中的溶解度很低，因此在原子尺度上对氢进行检测极具挑战性。而且，在使用过程中是否或者有多少氢进入铝合金中？它位于微结构内部的什么位置？它如何影响性能？到目前为止，所有这些都是亟待解决的问题”，赵欢博士表示。

为了尝试解决这些问题，赵欢博士等人选择高强度7xxx铝合金（成分为Al–6.22Zn–2.46Mg–2.13Cu–0.155Zr）为研究对象，通过低温等离子体聚焦离子束（PFIB）技术制样，并使用氢气填充样品，以表征铝合金中氢的行为。为了排除样品制备和原子探针中残余气体对表征分析的干扰，赵欢博士等人对填充的氢气采取了氘 (D) 同位素标记。

图 1：航空航天 Al-Zn-Mg-Cu 合金的非均质微观结构。

拉伸试验结果表明，随着氢气量的增加，铝合金的延展性逐渐降低，且断口表明裂纹倾向于沿晶界扩展（图1）。APT技术表征显示，铝合金第二相颗粒中氢的含量远高于晶界（图2）。然而，氢仅在晶界处时材料脆化，这说明晶界在脆化效应中起主要作用。

图 2：在峰值时效条件下（120 °C 24 h）填充D氢气的 Al-Zn-Mg-Cu 样品第二相的 APT 分析。

赵欢博士等人通过计算模拟发现，氢会被晶界的高能区域吸引，沿着这些晶界聚集，从而导致材料失效。而第二相中的颗粒则更像是氢陷阱，能够阻碍裂纹的扩展。同时，合金元素和氢的共偏析有利于晶界脱聚，并且氢强分配到第二相颗粒中会从基体中去除溶质氢，从而防止氢脆化。

图3. 基于 DFT 模拟的理论分析。

提出解决方案，通过引入和控制第二相的参数，利用金属间化合物颗粒捕获氢

上述的发现不仅能够加深人们对铝合金中氢脆现象机理的了解，而且对新一代合金具有重要的指导意义。

首先，避免氢的渗透是不可能的，因此减轻氢脆化的最佳方法就是控制其捕获以最大程度地延长合金的使用寿命。基于第二相中高氢富集的研究发现，赵欢博士等人为提高铝合金抗氢脆性提出了一种潜在的解决策略，即可以通过引入和控制第二相的体积分数、分散和化学成分，将氢捕获在合金材料中的金属间化合物颗粒。此外，控制晶界处的镁含量显得至关重要。 “在晶界与氢配对的镁会增加脆化”，赵欢解释道。 “与此同时，我们必须控制体积中颗粒的正确尺寸和体积分数，以捕获氢气，同时保持材料的强度。”进一步研究“完美”颗粒分布和消除晶界的镁装饰，有助于设计先进的高强度耐氢铝合金。

参考文献：

Zhao, H., Chakraborty, P., Ponge, D. et al. Hydrogen trapping and embrittlement in high-strength Al alloys. Nature 602, 437–441 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04343-z

赵欢 Research Fellow，德国马普学会钢铁研究所

赵欢，硕士毕业于重庆大学，博士毕业于德国亚琛工业大学，现为德国马普学会钢铁研究所research fellow。研究方向包括金属材料的设计、加工、微观组织、力学行为；金属氢脆与腐蚀等。相关成果在Physical Review Letters, Acta Materialia, Science Advances，Nature Communications 等杂志发表 (20余篇) 。曾获 TMS Light Metal Subject Award， Acta Student Award, ICAA Early Career Researcher Award. 长期担任金属材料学术期刊的审稿人。

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