2022年金属领域第一篇Nature 马普所赵欢博士成功破解航空铝合金氢脆之谜

【研究背景】

高强7×××铝合金是航空航天、制造业、交通运输和移动通信领域重要的结构材料。由于较高的比强度，高强铝合金的应用可以大大降低原油的消耗，很好地保护环境。但是高强铝合金对于环境非常敏感，非常容易产生氢脆现象。要克服氢脆的限制，就需要精确理解H如何穿透材料，以及它与普遍存在的微观结构特征(例如晶界(GB)或第二相)的相互作用。高温热处理过程中，以及在使用中金属中都可能发生H吸收。虽然H在Al中的溶解度较低，但晶体缺陷会帮助H吸收，导致疲劳寿命下降等。

现阶段，长期存在的问题仍然是H在微观结构中的位置，以及这种陷阱是如何导致材料灾难性失效的。之前有研究指出GB在环境退化中的关键作用。裂纹一般是优先电化学攻击的位置，同时裂纹也更容易通过GB网络在整个合金组织中传播。由于H在铝合金中的溶解度低，且在相关尺度和特定的微观结构特征下难以进行空间解析表征，因此对H在铝合金中的分布进行实验验证具有挑战性。

【内容简介】

本文以7xxx铝合金为研究对象，通过三维原子探针(APT) 对第二相颗粒和晶界处的H进行了近原子尺度的分析。然后利用实验所得结果指导了原子级别的第一性原理计算。研究结果表明：合金元素与H的共偏析导致晶界脱聚，使合金的塑性大大降低。但是H在第二相粒子附近强烈的偏析会将固溶H从基体中去除，从而防止H脆断。基于这些发现，本文进一步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，使其不但避免氢脆现象的产生，还有利于力学性能的提高。本文的研究进一步推进了对铝合金中H辅助脆化机理的理解，强调了H陷阱在减少开裂和指导新合金设计方面的作用。相关论文以“Hydrogen trapping and embrittlement in high-strength Al alloys”为题发表在国际顶级期刊Nature上。硕士毕业于重庆大学，博士博毕业于亚琛工业大学的赵欢博士为一作，同时兼任通讯作者，另外两个通讯作者分别为Baptiste Gault和Dierk Raabe。

【图文导读】

图1 航空级Al–Zn–Mg–Cu合金不均匀的微观结构；a.无H和H元素掺杂样品在120℃/24h时效后的工程应力-应变曲线；b.H掺杂合金拉伸失败样品的背散射电子图片，可以在晶界处看到晶间裂纹；c. 背散射电子图片展示了沿晶界的裂纹；d. 晶界，析出物，析出区以及第二相的微观结构形貌。

图2 D掺杂样品经过120℃/24h时效后的三维原子探针分析； a - d, Al₃Zr分散析出相(a, b)和S相(c, d)的原子图和成分剖面图，分别沿红色箭头表示。阴影带对应于剖面中计数统计的标准偏差。背景颜色b、d分别表示色散体和S相的位置。

图3 含GB的D掺杂Al-Zn-Mg-Cu样品经过120℃/24h时效后的APT分析；a. 等浓度表面突出了基体中富Mg, Zn的细小沉淀，在GB处粗大的沉淀和Al₃Zr的弥散物；b.H和D(H²⁺)的原子面；c. 晶界面的溶质分布；d. 在GB处横跨一个Al₃Zr分散体的成分分布图；e. 在GB富(Mg, Zn)析出相的成分分布图；f. 横跨GB沉淀之间的固溶成剖面图.

图4 基于第一性原理模拟的理论分析；a. Al中对称Σ5 (210) GB的示意图，用两个GB平面显示；b. 投影和透视图显示了计算中H的吸附位置。位置1是位于多面体单元内H位附近的一个Mg原子的取代位；c. b – d中H的不同填隙位，比较了在GB处有无溶质原子Mg时的脆化能和偏析能(图条)；放大图中的Al原子(浅灰色)和Mg原子(浅绿色)属于不同的相邻(001)平面.

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04343-z