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她，Nature一作+通訊！破解航空鋁合金氫脆現(xiàn)象之謎
來(lái)源：科學(xué)10分鐘 時(shí)間：2022-05-05 09:20:03 瀏覽：5919次

在航空航天領(lǐng)域，由于具有密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕強(qiáng)、塑性和加工性能良好、成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，高強(qiáng)度鋁合金（如7xxx系列合金）一直穩(wěn)坐飛機(jī)主體結(jié)構(gòu)材料的“頭把交椅”。它不僅能夠減輕飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，提高載重量和航程，而且高強(qiáng)鋁合金還能保證飛機(jī)性能的穩(wěn)定。近年來(lái)，由于復(fù)合材料和鈦合金的用量增加，最新設(shè)計(jì)的飛機(jī)中鋁合金的用量相對(duì)減少，但高純、高強(qiáng)、高韌、耐蝕的高性能鋁合金用量卻在增加。

然而，高強(qiáng)度鋁合金在使用過(guò)程中存在氫脆和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等與氫有關(guān)的破壞行為，使其性能的進(jìn)一步提高受到了阻礙。如果不能及早發(fā)現(xiàn)，這種氫脆現(xiàn)象將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的災(zāi)難性故障。遺憾地是，目前為止，科學(xué)家們對(duì)鋁合金中氫脆現(xiàn)象的具體機(jī)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(jié)構(gòu)（如晶界或第二相）進(jìn)行相互作用，并導(dǎo)致機(jī)械性能的災(zāi)難性惡化。其中，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)在于如何對(duì)鋁合金內(nèi)部的氫元素進(jìn)行原子尺度上的檢測(cè)和表征分析。
近日，來(lái)自德國(guó)馬克斯普朗克鐵研究所(MPIE）的Baptiste Gault教授、Dierk Raabe教授研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用低溫原子探針斷層掃描技術(shù)（APT），實(shí)現(xiàn)了捕獲在高強(qiáng)度7xxx鋁合金中第二相顆粒和晶界處的氫的近原子級(jí)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，晶界（GB）在氫脆效應(yīng)中其主要作用，氫會(huì)被晶界的高能區(qū)域吸引，沿著晶界聚集，導(dǎo)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(kuò)展。基于這些發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)還提出了一種減少氫脆現(xiàn)象的有效策略，即通過(guò)金屬間化合物顆粒捕獲氫。該工作不僅加深了人們對(duì)鋁合金中氫脆現(xiàn)象的機(jī)理理解，還為開(kāi)發(fā)下一代高性能鋁合金提供了重要的指導(dǎo)方針！
研究成果以題為“Hydrogen trapping and embrittlement in high-strength Al alloys”，發(fā)表在Nature上。值得一提的是，來(lái)自德國(guó)馬克斯普朗克鐵研究所的中國(guó)留學(xué)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(yīng)的本質(zhì)---氫被晶界的高能區(qū)域吸引，沿著晶界聚集，導(dǎo)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(duì)氫進(jìn)行檢測(cè)極具挑戰(zhàn)性。而且，在使用過(guò)程中是否或者有多少氫進(jìn)入鋁合金中？它位于微結(jié)構(gòu)內(nèi)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(wèn)題”，趙歡博士表示。
為了嘗試解決這些問(wèn)題，趙歡博士等人選擇高強(qiáng)度7xxx鋁合金（成分為Al–6.22Zn–2.46Mg–2.13Cu–0.155Zr）為研究對(duì)象，通過(guò)低溫等離子體聚焦離子束（PFIB）技術(shù)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(duì)表征分析的干擾，趙歡博士等人對(duì)填充的氫氣采取了氘 (D) 同位素標(biāo)記。
圖 1：航空航天 Al-Zn-Mg-Cu 合金的非均質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)。
拉伸試驗(yàn)結(jié)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(kuò)展（圖1）。APT技術(shù)表征顯示，鋁合金第二相顆粒中氫的含量遠(yuǎn)高于晶界（圖2）。然而，氫僅在晶界處時(shí)材料脆化，這說(shuō)明晶界在脆化效應(yīng)中起主要作用。
圖 2：在峰值時(shí)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(guò)計(jì)算模擬發(fā)現(xiàn)，氫會(huì)被晶界的高能區(qū)域吸引，沿著這些晶界聚集，從而導(dǎo)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(kuò)展。同時(shí)，合金元素和 氫的共偏析有利于晶界脫聚，并且 氫 強(qiáng)分配到第二相顆粒中會(huì)從基體中去除溶質(zhì) 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(guò)引入和控制第二相的參數(shù)，利用金屬間化合物顆粒捕獲氫
上述的發(fā)現(xiàn)不僅能夠加深人們對(duì)鋁合金中氫脆現(xiàn)象機(jī)理的了解，而且對(duì)新一代合金具有重要的指導(dǎo)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(zhǎng)合金的使用壽命。基于第二相中高氫富集的研究發(fā)現(xiàn)，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(guò)引入和控制第二相的體積分?jǐn)?shù)、分散和化學(xué)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(guān)重要。 “在晶界與氫配對(duì)的鎂會(huì)增加脆化”，趙歡解釋道。 “與此同時(shí)，我們必須控制體積中顆粒的正確尺寸和體積分?jǐn)?shù)，以捕獲氫氣，同時(shí)保持材料的強(qiáng)度?！边M(jìn)一步研究“完美”顆粒分布和消除晶界的鎂裝飾，有助于設(shè)計(jì)先進(jìn)的高強(qiáng)度耐氫鋁合金。
參考文獻(xiàn)：
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(guó)馬普學(xué)會(huì)鋼鐵研究所
趙歡，碩士畢業(yè)于重慶大學(xué)，博士畢業(yè)于德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)為德國(guó)馬普學(xué)會(huì)鋼鐵研究所research fellow。研究方向包括金屬材料的設(shè)計(jì)、加工、微觀組織、力學(xué)行為；金屬氫脆與腐蝕等。相關(guān)成果在Physical Review Letters, Acta Materialia, Science Advances，Nature Communications 等雜志發(fā)表 (20余篇) 。曾獲 TMS Light Metal Subject Award， Acta Student Award, ICAA Early Career Researcher Award. 長(zhǎng)期擔(dān)任金屬材料學(xué)術(shù)期刊的審稿人。


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