“双碳”战略下“氢能经济”是未来社会发展的重要推动力，其中氢的存储与运输对结构金属材料的服役性能提出了更高要求。铝合金具有轻质、高比强、低温性能优异等众多优点，是轻量化发展的首选金属材料，也是“氢能经济”的重要候选材料。但是铝合金与高强钢、钛合金等其他金属材料类似，表现出明显的“氢脆”敏感性，即在吸收氢原子后其变形能力下降、塑性降低，极易引起低应力脆断和无征兆失效。例如传统的高强铝合金材料在仅仅1~3 ppmw（ppmw：百万分子一重量比）充氢量下，拉伸延伸率与未充氢相比降低幅度超过50%。氢脆这一号称“金属界瘟神”的、服役环境导致的性能退化行为，严重制约了铝合金在“氢能经济”以及潮湿服役场景下的广泛应用。经过多年的深入研究，已经提出了多个氢脆的机制模型，也发展了一些抑制氢脆的微观组织设计方法。特别得益于近年来迅速发展的三维原子探针技术在原子层级上的精准定量表征，研究者们逐渐意识到：调控金属间化合物第二相颗粒将是提升铝合金抗氢脆能力的有效手段，第二相颗粒吸氢能力越强（即氢结合能Eb越大）、越倾向于作为氢陷阱捕获和稳定氢原子，从而降低氢在晶界、相界等氢脆裂纹萌生位置处的偏聚。但是目前还缺乏第二相颗粒特性与分布及其对铝合金抗氢脆能力影响的综合认知，因此第二相颗粒的调控策略尚不清晰健全，基于第二相颗粒调控的抗氢脆铝合金仍未迈入理性设计阶段。
针对抗氢脆铝合金的重大需求，西安交通大学金属材料强度全国重点实验室刘刚教授和孙军院士团队开展了系统研究。他们发现：铝合金中自然形成的金属间化合物第二相颗粒，其氢陷阱特性与分布特征往往无法同时满足高吸氢的基本要求。在凝固过程中形成的微米量级粗大结晶相颗粒（Constituent particles）常含有Mn、Cr或Fe等低固溶度和高熔点元素，虽然Eb较大、吸氢能力较强，但是分布密度小、界面比例低，不利于吸氢的动力学过程；时效过程中形成的纳米沉淀相颗粒（Precipitate particles）虽然数密度大、界面比例高，但是其晶格常数与基体铝极为相近，Eb无一例外均较低，在热力学上不利于吸氢；而均匀化或者固溶处理过程中形成的亚微米量级弥散相颗粒（Dispersoids particles）在吸氢特性和分布特征上则分布处于结晶相颗粒与沉淀相颗粒之间（图1）。
图1 铝合金中不同金属间化合物颗粒氢结合能（Eb）与其数量密度对应关系的总结图: 微米级尺寸结晶相颗粒（Constituents）通常具有较大Eb、但是其数量密度低；纳米级尺度沉淀相颗粒（Precipitates）通常数量密度大、但是Eb较小；而亚微米尺度弥散相颗粒（Dispersoids）则介于结晶相和沉淀相之间。已报道的Al11Mn3Zn2和Al2Mg3Zn3颗粒虽然同时满足Eb较高和密度较大，但是总体积百分数偏小。本文所调控的Al3（Mg,Sc）2纳米相具有已报道的最大Eb、与沉淀相颗粒相当的数量密度和体积百分数，意味着更强烈的氢陷阱并赋予更优异的抗氢脆能力。
抗氢脆铝合金第二相颗粒调控的基本原则是高密度均匀分布（高体积百分数）、同时高氢结合能Eb，在自然形成的颗粒难以直接实现的困境下，人为设计复杂析出过程、靶向性创制高Eb第二相颗粒的纳米化弥散分布成为了可行的调控策略。其中复杂金属相（Complex metallic phase, CMP）是一类特殊的金属间化合物，具有二十面体配位方式、单胞所含原子数量多、晶格常数大等特点；而Samson相Al3Mg2作为最复杂的CMP之一，其1832个点阵位点仅被1168个Al或Mg原子占据（图2），近40%位点为结构无序或结构空位，是天然优异的氢陷阱，第一性原理计算表明其Eb大于0.9 ev/atom，超越了铝合金中已报导的所有第二相颗粒。但是Samson-Al3Mg2相形核能垒高，一般在晶界等高能量位置上非均匀形核且粗化成微米尺度颗粒，很难在晶粒内形成高密度弥散分布，其瓶颈问题与结晶相颗粒类似。因而Samson-Al3Mg2相的纳米化可控析出，是解决这一问题的根本途径，也是工程化创制抗氢脆新型铝合金的一条有效途径。
图2 Samson-Al3Mg2复杂金属相单胞的晶体结构示意图（上图）及其结构描述的原子团簇模型示意图（下图：A型与B型原子团簇）。图中粉色位置代表可被Al或Mg随机占位。
该团队联合国内外相关研究团队，在微量Sc添加的Al-Mg（Mg含量4.5~7.5 wt.%）合金中，设计了两步热处理的双级析出制度：第一步热处理先在晶粒内预设高密度的L12结构Al3Sc纳米颗粒，由于固态相变的能量起伏、成分起伏和浓度起伏效应，Al3Sc纳米颗粒的尺寸统计学上呈正态分布，平均尺寸约为14 nm；基于Samson-Al3Mg2相的前驱体Al3Mg同样具有L12结构且晶格常数与Al3Sc相近，在第二步热处理中通过类模板效应诱导Al3Mg在Al3Sc/基体界面上原位析出，进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晶体结构的Al3（Mg,Sc）2纳米相（图3）。进一步深入研究发现，这一原位相变行为表现出强烈的尺寸效应：小于约10 nm的Al3Sc纳米颗粒保持与基体之间良好的共格关系，仅存在界面上一定程度的Mg原子偏聚；只有大于该临界尺寸的Al3Sc才会在界面上产生失配位错，促进了Mg的扩散、偏聚和析出，最终形成核壳结构Al3（Mg,Sc）2/Al3Sc复合纳米相（图4）。高密度的双颗粒分布下，细小的Al3Sc纳米颗粒（密度约2.4 × 1021m-3）显著提高了强化效果，而高Eb的Al3（Mg,Sc）2/Al3Sc复合纳米颗粒（密度约5.6 × 1021m-3）则起到了优异的氢陷阱作用，使得Al-Mg-Sc合金与未添加Sc相比强度提高40%、抗氢脆能力提高近5倍，在高达约7.0 ppmw的充氢量下其拉伸延伸率降低幅度仍小于10%（图5），拉伸均匀延伸率大于10%，优于已报道的其他铝合金材料。此外，这一微观组织设计策略在一定程度上克服了铝合金“强度越高则氢脆敏感性越大”这一“此消彼长”的困境，实现了强度与抗氢脆能力的同步提升，为新型抗氢脆高强铝合金的研发提供了新的思路。复杂金属相在经过了多年的基础研究后，有望以抗氢脆铝合金的应用作为突破口，逐步展示出其在磁学、电学、传输和超导等功能方面的性能特点，在金属材料的结构-功能一体化上实现更广阔的应用。
图3 （a-c） 第一步热处理形成的高密度Al3Sc纳米颗粒的低倍和高分辨TEM照片以及尺寸统计分布图；（d,f） 第二步热处理形成的核壳结构Al3（Mg,Sc）2/Al3Sc复合纳米相的低倍和高分辨TEM照片；（f-i） 三维原子探针（APT）表征复合纳米相壳层的高Mg含量；（j, k） HAADF-STEM以及同步辐射表征技术确定Al3（Mg,Sc）2壳层的Samson相结构。
图4 （a） Al3（Mg,Sc）2纳米相比例κ随Al3Sc颗粒尺寸d变化的统计结果；（b-d） 不同尺寸Al3Sc颗粒的局部应力/应变场分析与界面失配位错表征，颗粒越大、界面失配位错越多；（e） 原位相变及其尺寸效应的示意图，其中dc为模板诱发Al3（Mg,Sc）2形成的临界Al3Sc尺寸（约10 nm），ds为壳层近全覆盖的Al3Sc尺寸（约30 nm）。
图5 （a） Al-Mg-Sc与Al-Mg合金在7.0 ppmw充氢前后拉伸应力-应变曲线对比：加Sc合金充氢后延伸率降低小于10%，且均匀延伸率高达10%；而未加Sc合金充氢后延伸率下降大于50%。（b） 充氢7.0 ppmw后拉伸延伸率降低 vs. 拉伸强度对应关系：本研究中Al-Mg-Sc合金（实心红色圆点）及其中试结果（实心蓝色圆点）明显超越了3种对比合金和4种商业Al-Mg系合金（5754. 5052, 5083, 5A06）。
相关研究结果以“基于结构复杂相工程化设计创制抗氢脆铝合金”（Structurally complex phase engineering enables hydrogen-tolerant Al alloys）为题在线发表在《自然》（Nature）期刊上，西安交通大学金属材料强度全国重点实验室为第一作者单位，西安交通大学材料学院博士生蒋盛宇为文章第一作者，上海交通大学许元涛博士和西安理工大学王瑞红副教授为文章共同第一作者，文章的合作者还包括西安交通大学刘福柱博士、德国马普可再生材料研究所B. Gault教授和X. R. Chen博士，兰州大学关超帅博士和彭勇教授（兰州大学电镜中心设备支撑），河北工业大学王慧远教授团队，上海交通大学金学军教授和田根起博士，日本九州大学H. Toda教授，以及山东大学王明旭博士。许元涛博士、刘刚教授、B. Gault教授和孙军院士为文章共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、111引智基地等项目的资助。
刘刚教授和孙军院士领导的西安交通大学铝合金研究团队近年来专注于严酷环境服役的铝合金高性能化材料设计与工程应用。前期针对高强耐热铝合金的航空航天重大需求，开发了300-400℃温度段多个体系的新型耐高温铝合金材料，分别完成了大尺寸铸件、板材和锻件的工业化验证；同时在《自然材料》《自然通讯》《材料学报》《金属学报》等期刊上发表了一系列相关文章。本研究的抗氢脆铝合金是继耐高温铝合金之后，又一类面向重大应用需求所开发的新型铝合金材料，将积极开展大吨位中试实验，以早日实现工程化应用。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08879-2
