通过调控析出相设计增强铝合金抗氢脆性能的新策略

《Nature Communications》：Tailoring precipitates for enhanced hydrogen trapping in aluminum alloys

　　为解决高强铝合金氢脆敏感性难题，研究人员通过结合第一性原理计算、机器学习势函数和分子动力学模拟，系统探究了Cu掺杂Al3Sc析出相的氢捕获能力，确定了最优热处理工艺（500°C固溶+120°C时效）。实验证实该策略可使铝合金伸长率损失降低至0.15，显著提升氢脆抗力。这项研究为通过微观结构设计开发耐氢脆材料提供了跨尺度计算指导新范式。

　　

氢被誉为未来能源的希望之星，但在金属材料中却扮演着"隐形杀手"的角色。氢脆（Hydrogen Embrittlement, HE）现象长期困扰着航空航天、交通运输等关键领域的高强度材料应用。特别是在铝合金中，即使几个ppm的氢含量就足以引发灾难性断裂。传统上，人们尝试通过引入高密度析出相来捕获氢原子，但遗憾的是，许多析出相并不能牢固地束缚氢，导致氢仍然在晶界等关键区域聚集，最终引发材料失效。

更棘手的是，铝合金中往往同时存在多种稳定和亚稳析出相，例如2xxx系列中的GP区-θ″-θ′-θ-Al₂Cu序列，以及7xxx系列中至少15种η相。实验上要快速识别并生成既能强化材料又能强力捕获氢的析出相极具挑战性。特别是那些具有强氢捕获能力但形成条件苛刻的亚稳相，其精确控制和优化更是难上加难。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，由北京科技大学董超芳教授和代尔夫特理工大学Poulumi Dey博士领导的研究团队提出了一种创新的计算驱动策略，成功设计出能显著增强铝合金抗氢脆性能的Cu掺杂Al₃Sc析出相。研究团队发现，通过精确控制Cu的掺杂量，可以大幅提升Al₃Sc相的氢捕获能力，即使这些Cu掺杂相在热力学上处于亚稳态。

研究采用了跨尺度计算方法，包括第一性原理计算（DFT）评估氢溶解吉布斯自由能变化（ΔG_soln⁰），开发量子机器学习铝钪铜（Al-Sc-Cu）势函数，结合分子动力学（MD）和蒙特卡洛（MC）模拟析出动力学，并通过慢应变速率测试（SSRT）、扫描透射电子显微镜（STEM）、原子探针断层扫描（APT）和热脱附谱（TDS）进行实验验证。

氢捕获能力分析

通过DFT计算发现，纯Al₃Sc相的氢捕获能力较弱，其空位和间隙位置的ΔG_soln⁰分别为0.30 eV H^-1和0.01 eV H^-1。然而，当引入Cu原子形成Al₂CuSc时，相应值显著降低至-0.62 eV H^-1（空位）和-0.29 eV H^-1（间隙）。电荷密度差分析表明，Cu原子周围电子密度增加，增强了与氢的相互作用。当所有Al原子被Cu取代形成Cu₃Sc时，氢在八面体间隙位置的ΔG_soln⁰甚至达到-4.27 eV H^-1，显示出极强的氢捕获能力。

相变模拟的原子间势函数开发

研究团队通过5166个DFT计算构型，采用基于D-最优性准则的主动学习（AL）训练了基于矩张量的机器学习原子间势（MLIP）。经过验证，该势函数在能量预测上的训练和验证精度分别达到4.8 meV atom^-1和7.2 meV atom^-1，在力预测上分别为40.2 meV ?^-1和87.1 meV ?^-1，能够可靠模拟Al-Sc-Cu系统的相变过程。

热处理工艺优化

模拟结果显示，在500°C固溶处理和120°C时效处理条件下，含Cu析出相的比例（R_{Cu_ppt}）稳定在52.66%至63.81%之间，且Cu在析出相中的含量（ξ_Cu^ppt）保持在1 at.%以上。较低时效温度（120°C）有利于形成高数密度的小尺寸Al_3-xCu_xSc析出相，这些析出相在能量上更稳定，且具有更强的氢捕获能力。

抗氢脆设计实施与实验验证

实验制备了Al-0.51 at.% Cu-0.12 at.% Sc合金，经500°C固溶+120°C时效处理的样品在氢环境下的伸长率损失仅为0.15，显著低于未时效处理样品（0.7）。HAADF-STEM和EDS mapping证实了Cu原子成功进入Al₃Sc析出相内部。APT分析显示氢原子在Sc-Cu富集区域明显聚集，TDS谱中在485°C出现的氢脱附峰对应于Cu掺杂Al₃Sc相捕获的氢，其脱附温度远高于位错（334°C）和Al₃Sc界面（405°C）捕获的氢。

研究还发现，虽然Cu掺杂Al₃Sc相在热力学上是亚稳态的，长期服役过程中Cu可能向界面偏聚，但这种偏聚反而能提高位错滑移阻力，增强材料强度。计算表明，当Al₃Sc(011)界面的Cu覆盖度达到0.9时，其氢捕获能力对应的ΔG_soln⁰可降至-0.65 eV H^-1。

MD模拟进一步揭示了位错切割Al₃Sc相的机制，使得被位错携带的氢原子能够被析出相体相中的强陷阱捕获。相比无Cu析出相，Al_3-xCu_xSc相能显著降低氢在基体中的扩散系数，有效减少裂纹尖端的氢聚集。

这项研究通过跨尺度计算与实验验证相结合，成功设计出具有优异抗氢脆性能的铝合金微观结构。研究不仅发现了一种极具潜力的氢捕获相（Cu掺杂Al₃Sc），还建立了从原子尺度模拟到宏观性能优化的完整研究框架。该策略的可扩展性为其他技术相关材料的抗氢脆设计提供了新思路，开发的机器学习势函数能够模拟任意元素组合，超越了传统搜索方法的限制，为实现材料性能的定向设计奠定了坚实基础。研究成果对长距离氢运输、航空航天等领域的材料安全应用具有重要意义。