西安交大再发《Nature》：新型抗氢脆铝合金！

研究成果

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E _b 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，E _b 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）。

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E _b ，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E _b 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Al ₃ Mg ₂ 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E _b 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-Al ₃ Mg ₂ 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-Al ₃ Mg ₂ 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。

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L1 ₂ 结构Al ₃ Sc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，Al ₃