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她，Nature一作+通訊！破解航空鋁合金氫脆現象之謎

來源：科學10分鐘時間：2022-05-05 09:20:03 瀏覽：5080次

在航空航天領域，由于具有密度低、比強度高、耐腐蝕強、塑性和加工性能良好、成本低等一系列優點，高強度鋁合金（如7xxx系列合金）一直穩坐飛機主體結構材料的“頭把交椅”。它不僅能夠減輕飛機的結構重量，提高載重量和航程，而且高強鋁合金還能保證飛機性能的穩定。近年來，由于復合材料和鈦合金的用量增加，最新設計的飛機中鋁合金的用量相對減少，但高純、高強、高韌、耐蝕的高性能鋁合金用量卻在增加。

然而，高強度鋁合金在使用過程中存在氫脆和應力腐蝕開裂等與氫有關的破壞行為，使其性能的進一步提高受到了阻礙。如果不能及早發現，這種氫脆現象將會導致嚴重的災難性故障。遺憾地是，目前為止，科學家們對鋁合金中氫脆現象的具體機制尚不清楚，比如氫如何滲透材料，以及它如何與普遍存在的微觀結構（如晶界或第二相）進行相互作用，并導致機械性能的災難性惡化。其中，關鍵的挑戰在于如何對鋁合金內部的氫元素進行原子尺度上的檢測和表征分析。

近日，來自德國馬克斯普朗克鐵研究所(MPIE）的Baptiste Gault教授、Dierk Raabe教授研究團隊通過使用低溫原子探針斷層掃描技術（APT），實現了捕獲在高強度7xxx鋁合金中第二相顆粒和晶界處的氫的近原子級分析。結果發現，晶界（GB）在氫脆效應中其主要作用，氫會被晶界的高能區域吸引，沿著晶界聚集，導致材料失效；而第二相中顆粒更像是氫陷阱，能夠阻礙裂紋的擴展。基于這些發現，研究團隊還提出了一種減少氫脆現象的有效策略，即通過金屬間化合物顆粒捕獲氫。該工作不僅加深了人們對鋁合金中氫脆現象的機理理解，還為開發下一代高性能鋁合金提供了重要的指導方針！

研究成果以題為“Hydrogen trapping and embrittlement in high-strength Al alloys”，發表在Nature上。值得一提的是，來自德國馬克斯普朗克鐵研究所的中國留學生趙歡博士(在MPIE從事博士后研究)為文章的第一作者和通訊作者，MPIE的Dierk Raabe教授和Baptiste Gault教授為共同通訊作者。

氫脆效應的本質---氫被晶界的高能區域吸引，沿著晶界聚集，導致材料失效

“由于氫是所有元素中最小的元素，并且在鋁中的溶解度很低，因此在原子尺度上對氫進行檢測極具挑戰性。而且，在使用過程中是否或者有多少氫進入鋁合金中？它位于微結構內部的什么位置？它如何影響性能？到目前為止，所有這些都是亟待解決的問題”，趙歡博士表示。

為了嘗試解決這些問題，趙歡博士等人選擇高強度7xxx鋁合金（成分為Al–6.22Zn–2.46Mg–2.13Cu–0.155Zr）為研究對象，通過低溫等離子體聚焦離子束（PFIB）技術制樣，并使用氫氣填充樣品，以表征鋁合金中氫的行為。為了排除樣品制備和原子探針中殘余氣體對表征分析的干擾，趙歡博士等人對填充的氫氣采取了氘 (D) 同位素標記。

圖 1：航空航天 Al-Zn-Mg-Cu 合金的非均質微觀結構。

拉伸試驗結果表明，隨著氫氣量的增加，鋁合金的延展性逐漸降低，且斷口表明裂紋傾向于沿晶界擴展（圖1）。APT技術表征顯示，鋁合金第二相顆粒中氫的含量遠高于晶界（圖2）。然而，氫僅在晶界處時材料脆化，這說明晶界在脆化效應中起主要作用。

圖 2：在峰值時效條件下（120 °C 24 h）填充D氫氣的 Al-Zn-Mg-Cu 樣品第二相的 APT 分析。

趙歡博士等人通過計算模擬發現，氫會被晶界的高能區域吸引，沿著這些晶界聚集，從而導致材料失效。而第二相中的顆粒則更像是氫陷阱，能夠阻礙裂紋的擴展。同時，合金元素和氫的共偏析有利于晶界脫聚，并且氫強分配到第二相顆粒中會從基體中去除溶質氫，從而防止氫脆化。

圖3. 基于 DFT 模擬的理論分析。

提出解決方案，通過引入和控制第二相的參數，利用金屬間化合物顆粒捕獲氫

上述的發現不僅能夠加深人們對鋁合金中氫脆現象機理的了解，而且對新一代合金具有重要的指導意義。

首先，避免氫的滲透是不可能的，因此減輕氫脆化的最佳方法就是控制其捕獲以最大程度地延長合金的使用壽命。基于第二相中高氫富集的研究發現，趙歡博士等人為提高鋁合金抗氫脆性提出了一種潛在的解決策略，即可以通過引入和控制第二相的體積分數、分散和化學成分，將氫捕獲在合金材料中的金屬間化合物顆粒。此外，控制晶界處的鎂含量顯得至關重要。 “在晶界與氫配對的鎂會增加脆化”，趙歡解釋道。 “與此同時，我們必須控制體積中顆粒的正確尺寸和體積分數，以捕獲氫氣，同時保持材料的強度。”進一步研究“完美”顆粒分布和消除晶界的鎂裝飾，有助于設計先進的高強度耐氫鋁合金。

參考文獻：

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

趙歡 Research Fellow，德國馬普學會鋼鐵研究所

趙歡，碩士畢業于重慶大學，博士畢業于德國亞琛工業大學，現為德國馬普學會鋼鐵研究所research fellow。研究方向包括金屬材料的設計、加工、微觀組織、力學行為；金屬氫脆與腐蝕等。相關成果在Physical Review Letters, Acta Materialia, Science Advances，Nature Communications 等雜志發表 (20余篇) 。曾獲 TMS Light Metal Subject Award， Acta Student Award, ICAA Early Career Researcher Award. 長期擔任金屬材料學術期刊的審稿人。

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