2022年金屬領域第一篇Nature 馬普所趙歡博士成功破解航空鋁合金氫脆之謎

【研究背景】

高強7×××鋁合金是航空航天、制造業、交通運輸和移動通信領域重要的結構材料。由于較高的比強度，高強鋁合金的應用可以大大降低原油的消耗，很好地保護環境。但是高強鋁合金對于環境非常敏感，非常容易產生氫脆現象。要克服氫脆的限制，就需要精確理解H如何穿透材料，以及它與普遍存在的微觀結構特征(例如晶界(GB)或第二相)的相互作用。高溫熱處理過程中，以及在使用中金屬中都可能發生H吸收。雖然H在Al中的溶解度較低，但晶體缺陷會幫助H吸收，導致疲勞壽命下降等。

現階段，長期存在的問題仍然是H在微觀結構中的位置，以及這種陷阱是如何導致材料災難性失效的。之前有研究指出GB在環境退化中的關鍵作用。裂紋一般是優先電化學攻擊的位置，同時裂紋也更容易通過GB網絡在整個合金組織中傳播。由于H在鋁合金中的溶解度低，且在相關尺度和特定的微觀結構特征下難以進行空間解析表征，因此對H在鋁合金中的分布進行實驗驗證具有挑戰性。

【內容簡介】

本文以7xxx鋁合金為研究對象，通過三維原子探針(APT) 對第二相顆粒和晶界處的H進行了近原子尺度的分析。然后利用實驗所得結果指導了原子級別的第一性原理計算。研究結果表明：合金元素與H的共偏析導致晶界脫聚，使合金的塑性大大降低。但是H在第二相粒子附近強烈的偏析會將固溶H從基體中去除，從而防止H脆斷。基于這些發現，本文進一步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，使其不但避免氫脆現象的產生，還有利于力學性能的提高。本文的研究進一步推進了對鋁合金中H輔助脆化機理的理解，強調了H陷阱在減少開裂和指導新合金設計方面的作用。相關論文以“Hydrogen trapping and embrittlement in high-strength Al alloys”為題發表在國際頂級期刊Nature上。碩士畢業于重慶大學，博士博畢業于亞琛工業大學的趙歡博士為一作，同時兼任通訊作者，另外兩個通訊作者分別為Baptiste Gault和Dierk Raabe。

【圖文導讀】

圖1 航空級Al–Zn–Mg–Cu合金不均勻的微觀結構；a.無H和H元素摻雜樣品在120℃/24h時效后的工程應力-應變曲線；b.H摻雜合金拉伸失敗樣品的背散射電子圖片，可以在晶界處看到晶間裂紋；c. 背散射電子圖片展示了沿晶界的裂紋；d. 晶界，析出物，析出區以及第二相的微觀結構形貌。

圖2 D摻雜樣品經過120℃/24h時效后的三維原子探針分析；?a - d, Al₃Zr分散析出相(a, b)和S相(c, d)的原子圖和成分剖面圖，分別沿紅色箭頭表示。陰影帶對應于剖面中計數統計的標準偏差。背景顏色b、d分別表示色散體和S相的位置。

圖3 含GB的D摻雜Al-Zn-Mg-Cu樣品經過120℃/24h時效后的APT分析；a. 等濃度表面突出了基體中富Mg, Zn的細小沉淀，在GB處粗大的沉淀和Al₃Zr的彌散物；b.H和D(H²⁺)的原子面；c. 晶界面的溶質分布；d. 在GB處橫跨一個Al₃Zr分散體的成分分布圖；e. 在GB富(Mg, Zn)析出相的成分分布圖；f. 橫跨GB沉淀之間的固溶成剖面圖.

圖4 基于第一性原理模擬的理論分析；a. Al中對稱Σ5 (210) GB的示意圖，用兩個GB平面顯示；b. 投影和透視圖顯示了計算中H的吸附位置。位置1是位于多面體單元內H位附近的一個Mg原子的取代位；c. b – d中H的不同填隙位，比較了在GB處有無溶質原子Mg時的脆化能和偏析能(圖條)；放大圖中的Al原子(淺灰色)和Mg原子(淺綠色)屬于不同的相鄰(001)平面.

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04343-z