西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉剛教授和孫軍院士團(tuán)隊(duì)，面向重大應(yīng)用需求，創(chuàng)制出新型抗氫脆鋁合金！研究結(jié)果以“基于結(jié)構(gòu)復(fù)雜相工程化設(shè)計(jì)創(chuàng)制抗氫脆鋁合金”（Structurally complex phase engineering enables hydrogen-tolerant Al alloys）為題在線(xiàn)發(fā)表在《自然》（Nature）期刊上。

　　這是團(tuán)隊(duì)繼耐高溫鋁合金之后，又一類(lèi)面向重大應(yīng)用需求，開(kāi)發(fā)的新型鋁合金材料，將積極開(kāi)展大噸位中試實(shí)驗(yàn)，以早日實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。

　　文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08879-2

　　研究背景

“雙碳”戰(zhàn)略下“氫能經(jīng)濟(jì)”是未來(lái)社會(huì)發(fā)展的重要推動(dòng)力，其中氫的存儲(chǔ)與運(yùn)輸對(duì)結(jié)構(gòu)金屬材料的服役性能提出了更高要求。

鋁合金具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)、低溫性能優(yōu)異等眾多優(yōu)點(diǎn)，是輕量化發(fā)展的首選金屬材料，也是“氫能經(jīng)濟(jì)”的重要候選材料。但是鋁合金與高強(qiáng)鋼、鈦合金等其他金屬材料類(lèi)似，表現(xiàn)出明顯的“氫脆”敏感性，即在吸收氫原子后其變形能力下降、塑性降低，極易引起低應(yīng)力脆斷和無(wú)征兆失效。例如傳統(tǒng)的高強(qiáng)鋁合金材料在僅僅1~3 ppmw（ppmw：百萬(wàn)分子一重量比）充氫量下，拉伸延伸率與未充氫相比降低幅度超過(guò)50%。

氫脆這一號(hào)稱(chēng)“金屬界瘟神”的、服役環(huán)境導(dǎo)致的性能退化行為，嚴(yán)重制約了鋁合金在“氫能經(jīng)濟(jì)”以及潮濕服役場(chǎng)景下的廣泛應(yīng)用。

經(jīng)過(guò)多年的深入研究，已經(jīng)提出了多個(gè)氫脆的機(jī)制模型，也發(fā)展了一些抑制氫脆的微觀(guān)組織設(shè)計(jì)方法。特別得益于近年來(lái)迅速發(fā)展的三維原子探針技術(shù)在原子層級(jí)上的精準(zhǔn)定量表征，研究者們逐漸意識(shí)到：調(diào)控金屬間化合物第二相顆粒將是提升鋁合金抗氫脆能力的有效手段，第二相顆粒吸氫能力越強(qiáng)（即氫結(jié)合能Eb越大）、越傾向于作為氫陷阱捕獲和穩(wěn)定氫原子，從而降低氫在晶界、相界等氫脆裂紋萌生位置處的偏聚。

但是目前還缺乏第二相顆粒特性與分布及其對(duì)鋁合金抗氫脆能力影響的綜合認(rèn)知，因此第二相顆粒的調(diào)控策略尚不清晰健全，基于第二相顆粒調(diào)控的抗氫脆鋁合金仍未邁入理性設(shè)計(jì)階段。

研究成果

針對(duì)抗氫脆鋁合金的重大需求，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉剛教授和孫軍院士團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了系統(tǒng)研究。

他們發(fā)現(xiàn)：鋁合金中自然形成的金屬間化合物第二相顆粒，其氫陷阱特性與分布特征往往無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足高吸氫的基本要求。在凝固過(guò)程中形成的微米量級(jí)粗大結(jié)晶相顆粒（Constituent particles）常含有Mn、Cr或Fe等低固溶度和高熔點(diǎn)元素，雖然Eb較大、吸氫能力較強(qiáng)，但是分布密度小、界面比例低，不利于吸氫的動(dòng)力學(xué)過(guò)程；時(shí)效過(guò)程中形成的納米沉淀相顆粒（Precipitate particles）雖然數(shù)密度大、界面比例高，但是其晶格常數(shù)與基體鋁極為相近，Eb無(wú)一例外均較低，在熱力學(xué)上不利于吸氫；而均勻化或者固溶處理過(guò)程中形成的亞微米量級(jí)彌散相顆粒（Dispersoids particles）在吸氫特性和分布特征上則分布處于結(jié)晶相顆粒與沉淀相顆粒之間（圖1）。

抗氫脆鋁合金第二相顆粒調(diào)控的基本原則是高密度均勻分布（高體積百分?jǐn)?shù)）、同時(shí)高氫結(jié)合能Eb，在自然形成的顆粒難以直接實(shí)現(xiàn)的困境下，人為設(shè)計(jì)復(fù)雜析出過(guò)程、靶向性創(chuàng)制高Eb第二相顆粒的納米化彌散分布成為了可行的調(diào)控策略。其中復(fù)雜金屬相（Complex metallic phase,CMP）是一類(lèi)特殊的金屬間化合物，具有二十面體配位方式、單胞所含原子數(shù)量多、晶格常數(shù)大等特點(diǎn)；而Samson相Al3Mg2作為最復(fù)雜的CMP之一，其1832個(gè)點(diǎn)陣位點(diǎn)僅被1168個(gè)Al或Mg原子占據(jù)（圖2），近40%位點(diǎn)為結(jié)構(gòu)無(wú)序或結(jié)構(gòu)空位，是天然優(yōu)異的氫陷阱，第一性原理計(jì)算表明其Eb大于0.9 ev/atom，超越了鋁合金中已報(bào)導(dǎo)的所有第二相顆粒。但是Samson-Al3Mg2相形核能壘高，一般在晶界等高能量位置上非均勻形核且粗化成微米尺度顆粒，很難在晶粒內(nèi)形成高密度彌散分布，其瓶頸問(wèn)題與結(jié)晶相顆粒類(lèi)似。因而Samson-Al3Mg2相的納米化可控析出，是解決這一問(wèn)題的根本途徑，也是工程化創(chuàng)制抗氫脆新型鋁合金的一條有效途徑。

該團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)，在微量Sc添加的Al-Mg（Mg含量4.5~7.5 wt.%）合金中，設(shè)計(jì)了兩步熱處理的雙級(jí)析出制度：第一步熱處理先在晶粒內(nèi)預(yù)設(shè)高密度的L12結(jié)構(gòu)Al3Sc納米顆粒，由于固態(tài)相變的能量起伏、成分起伏和濃度起伏效應(yīng)，Al3Sc納米顆粒的尺寸統(tǒng)計(jì)學(xué)上呈正態(tài)分布，平均尺寸約為14 nm；基于Samson-Al3Mg2相的前驅(qū)體Al3Mg同樣具有L12結(jié)構(gòu)且晶格常數(shù)與Al3Sc相近，在第二步熱處理中通過(guò)類(lèi)模板效應(yīng)誘導(dǎo)Al3Mg在Al3Sc/基體界面上原位析出，進(jìn)一步藉由原子尺度的Mg、Sc原子交互作用，在Al3Sc上生成了具有Samson晶體結(jié)構(gòu)的Al3（Mg,Sc）2納米相（圖3）。

進(jìn)一步深入研究發(fā)現(xiàn)，這一原位相變行為表現(xiàn)出強(qiáng)烈的尺寸效應(yīng)：小于約10nm的Al3Sc納米顆粒保持與基體之間良好的共格關(guān)系，僅存在界面上一定程度的Mg原子偏聚；只有大于該臨界尺寸的Al3Sc才會(huì)在界面上產(chǎn)生失配位錯(cuò)，促進(jìn)了Mg的擴(kuò)散、偏聚和析出，最終形成核殼結(jié)構(gòu)Al3（Mg,Sc）2/Al3Sc復(fù)合納米相（圖4）。

高密度的雙顆粒分布下，細(xì)小的Al3Sc納米顆粒（密度約2.4×1021 m-3）顯著提高了強(qiáng)化效果，而高Eb的Al3（Mg,Sc）2/Al3Sc復(fù)合納米顆粒（密度約5.6×1021 m-3）則起到了優(yōu)異的氫陷阱作用，使得Al-Mg-Sc合金與未添加Sc相比強(qiáng)度提高40%、抗氫脆能力提高近5倍，在高達(dá)約7.0 ppmw的充氫量下其拉伸延伸率降低幅度仍小于10%（圖5），拉伸均勻延伸率大于10%，優(yōu)于已報(bào)道的其他鋁合金材料。

此外，這一微觀(guān)組織設(shè)計(jì)策略在一定程度上克服了鋁合金“強(qiáng)度越高則氫脆敏感性越大”這一“此消彼長(zhǎng)”的困境，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度與抗氫脆能力的同步提升，為新型抗氫脆高強(qiáng)鋁合金的研發(fā)提供了新的思路。

復(fù)雜金屬相在經(jīng)過(guò)了多年的基礎(chǔ)研究后，有望以抗氫脆鋁合金的應(yīng)用作為突破口，逐步展示出其在磁學(xué)、電學(xué)、傳輸和超導(dǎo)等功能方面的性能特點(diǎn)，在金屬材料的結(jié)構(gòu)-功能一體化上實(shí)現(xiàn)更廣闊的應(yīng)用。