西安交通大学/上海交通大学，Nature！

米测MeLab

2025-05-12

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

氢脆(HE)会损害铝(Al)合金的耐久性，并阻碍其在氢经济中的应用。铝合金中的金属间化合物颗粒（ICPs）可以捕获氢并减轻HE。

关键问题

然而，解决铝合金HE主要存在以下问题：

1、ICPs的氢捕获能力和沉淀特性之间存在矛盾

铝合金中的ICPs虽然理论上具有高氢捕获能力，但这些高氢捕获能力的ICPs往往含有在铝中溶解度低的溶质（如Mn、Cr、Fe），导致它们在合金凝固期间容易沉淀和变粗。

2、复杂金属相的成核过程较难，很难实现均匀分布和稳定存在

具有复杂晶体结构的金属间化合物理论上对氢具有高溶解度并可作为有效的陷阱，但在高镁含量的Al–Mg合金中沉淀时，成核过程在能量上较为困难，且主要为非均相成核，复杂金属相难以控制，难以实现均匀分布和稳定存在。

新思路

有鉴于此，西安交通大学孙军院士、刘刚教授、上海交通大学许元涛和德国马普可再生材料研究所Baptiste Gault等人报告了在添加Sc的Al-Mg合金中筛分尺寸的复合沉淀，以实现精细Al₃Sc纳米沉淀物和原位形成的具有高氢捕获能力的核壳Al₃(Mg，Sc)₂/Al₃Sc纳米相的高密度分散。两步热处理在尺寸仅超过10 nm的Al₃Sc纳米沉淀物的表面上诱导Samson相Al₃(Mg，Sc)₂的异相成核。尺寸依赖性与Al₃Sc纳米沉淀物的不相干性有关，这导致镁的局部偏析并引发Al₃(Mg，Sc)₂的形成。与无Sc合金相比， Al–Mg–Sc合金中双纳米沉淀物的定向分布使其强度增加了约40%，HE耐受性提高了近五倍，在含氢高达7 ppmw的铝合金中达到了创纪录的拉伸均匀伸长率。作者还成功将这一策略应用于其他铝镁基合金，如铝镁钛锆、铝镁铜钪和铝镁锌钪合金。该工作展示了一种提高高强度铝合金抗氢性能的可能途径，并且可以很容易地适用于大规模工业生产。

技术方案：

1、获得了高密度CMP纳米沉淀物

作者研究对比了Al–6.0Mg和Al–6.0Mg–0.3Sc合金。Al–Mg–Sc合金中，Al₃Sc纳米沉淀物阻止Mg扩散至晶界，形成核壳结构的Al₃(Mg，Sc)₂沉淀物，表现出优异的性能。

2、解析了原位相变的机理

在Al–Mg–Sc合金中，热处理时Mg原子扩散至Al₃Sc纳米沉淀物，形成Al₃(Mg，Sc)₂相，该相形成与沉淀物尺寸相关。

3、研究对比了Al–Mg和Al–Mg–Sc合金的拉伸性能和耐氢性能

研究结果表明Al–Mg–Sc-II合金在充氢后表现出优异的耐氢性能，其通过双纳米沉淀物设计，实现了高强度与高耐氢性的平衡，并且耐腐蚀性也有所提高。

4、证实了Al₃(Mg，Sc)₂相的高H俘获能力

APT分析表明Al–Mg–Sc-II合金中氢浓度远超Al–Sc-II合金，DFT计算也表明，Samson-Al₃Mg₂相具有优异的氢俘获能力。

技术优势：

1、开发的两步热处理工艺获得了纳米尺寸的双纳米沉淀物

作者采用两步热处理工艺，在尺寸仅超过10 nm的Al₃Sc纳米沉淀物表面诱导Samson相Al₃(Mg，Sc)₂的异相成核，打破了传统铝合金中强度与耐氢性之间的折衷关系，同时实现了高强度和优异的耐氢性能。

2、所设计的合金获得了创纪录的拉伸均匀伸长率

本工作开发的Al–Mg–Sc合金中双纳米沉淀物的定向分布使合金强度增加了约40%，HE耐受性提高了近五倍，在含氢高达7 ppmw的铝合金中达到了创纪录的拉伸均匀伸长率。

技术细节

高密度CMP纳米沉淀物

作者研究对比了双辊铸造的Al–6.0Mg和Al–6.0Mg–0.3Sc合金。两种合金先在400°C退火4小时，使Mg溶解，Sc形成Al₃Sc纳米沉淀物；再在250°C热处理72小时。Al–Mg–Sc-I合金中Al₃Sc纳米沉淀物数量密度高（约8.0×10²¹ m⁻³），平均尺寸约14 nm，且在Al₃Sc-基体界面处存在高达15 at%的Mg偏析。Al–Mg–Sc-I的晶粒尺寸约为100微米，小角度晶界比例高，因Al₃Sc纳米沉淀物固定了晶界。在Al–Mg-II中，晶界处高浓度Mg偏析导致粗大Samson-Al₃Mg₂颗粒析出，促进过早断裂。而在Al–Mg–Sc-II合金中，Sc的加入使β-Al₃Mg₂沿晶析出减少，Al₃Sc纳米沉淀物阻碍了Mg向晶界的扩散。通过像差校正的HAADF-STEM和APT分析发现，Al₃Sc纳米沉淀物被Samson-Al₃Mg₂相覆盖，形成核壳结构，Sc部分占据Samson相中的Mg位置，降低了系统自由能。这种复杂的沉淀路径使Al–Mg–Sc-II合金形成高度分散的纳米级沉淀物，表现出优异的性能。

图  原位相变制备高密度Al₃(Mg, Sc)₂纳米相

原位相变的机理

在Al–Mg–Sc合金中，第二步热处理时，偏析在Al₃Sc-基体界面的Mg原子会扩散到Al₃Sc纳米沉淀物中。由于L1₂结构的β″-Al₃Mg相与Al₃Sc相晶格常数接近，且Mg部分占据Sc位在能量上是有利的，Al₃Sc会转变为Al₃(Sc，Mg)，并进一步通过亚稳态级联转变为更稳定的Samson结构Al₃(Mg，Sc)₂相。这一过程类似于在添加Sc和Zr的铝合金中形成核-壳纳米沉淀物的机制。Al₃(Mg，Sc)₂相的形成与纳米沉淀物的尺寸密切相关。当沉淀物尺寸小于临界尺寸dc（约10 nm）时，Al₃Sc与Al基体保持共格，不形成Al₃(Mg，Sc)₂相；而当沉淀物尺寸大于d_c时，界面位错出现，Al₃(Mg，Sc)₂相逐渐增厚，最大厚度可达约30 nm。界面位错在Al₃(Mg，Sc)₂相的成核中起关键作用，通过促进Mg偏析改变界面化学平衡，并为Mg原子提供异相成核位置和扩散通道。

图  界面主导的原位相变

优化的耐氢性和强度

作者研究对比了Al–Mg和Al–Mg–Sc合金的拉伸性能和耐氢性能。在未充氢时，Al–Mg–Sc-I合金的屈服强度比Al–Mg-I合金高约80%（约100 MPa），但伸长率降低了约20%。充氢后，Al–Mg-I和Al–Mg–Sc-I合金的伸长率分别下降了约54.5%和45.3%，而Al–Mg-II合金伸长率下降约43.6%。然而，Al–Mg–Sc-II合金表现出优异的耐氢性能，伸长率仅下降约9.0%，且在7 ppmw氢浓度下仍保持大于10%的均匀伸长率，远优于其他Al–Mg基合金和商用5xxx系列合金（如5052、5083、5754和5A06）。Al–Mg–Sc-II合金通过双纳米沉淀物设计，小尺寸纳米沉淀物增强强度，大尺寸核壳沉淀物抑制氢脆，打破了传统铝合金强度与耐氢性能之间的折衷关系。此外，该合金的耐腐蚀性也因抑制晶间Mg沉淀和偏析而提高。

图  Samson结构纳米相增强了异常的HE耐受性

Samson相中的高H-俘获

通过APT分析，Al–Sc-II合金中Al₃Sc纳米沉淀物的氢（H）浓度仅为约2.0 atom%，而Al–Mg–Sc-II合金中核-壳纳米沉淀物的Al₃(Mg，Sc)₂壳层中H浓度显著增加至18 atom%。这表明Al₃(Mg，Sc)₂相具有很强的H俘获能力。尺寸越小的纳米沉淀物，H浓度越低，与尺寸依赖性相变一致，即Al₃(Mg，Sc)₂相在较大的Al₃Sc纳米沉淀物中更容易形成且体积更大。DFT计算显示，Samson-Al₃Mg₂相内部具有优异的H俘获能力，结合能最高可达1.12 eV（立方相）和0.85 eV（菱形相），平均结合能约0.90 eV，远高于其他金属间化合物和晶体缺陷。Sc部分占据Mg位点进一步增强了与H的结合能。热脱附谱和TOF-SIMS结果也证实了Al₃(Mg，Sc)₂相的高H俘获能力。这种高H俘获能力是Al–Mg–Sc-II合金表现出优异耐氢性能的关键因素。

图  复杂金属纳米相前所未有的氢俘获能力

展望

总之，本工作通过尺寸相关的相变实现了纳米沉淀物的双重分布：小尺寸Al₃Sc（<10 nm）强化合金，大尺寸Al₃(Mg，Sc)₂/Al₃Sc（>10 nm）提升耐氢性能。最佳尺寸范围为20±10 nm，镁含量6.0 wt%左右，热处理时间36小时为佳。该策略适用于多种铝镁基合金体系，并可通过水冷铜模铸造和优化热处理实现工业化生产，为开发高强度耐氢铝合金提供了新途径。

参考文献：

Jiang, S., Xu, Y., Wang, R. et al. Structurally complex phase engineering enables hydrogen-tolerant Al alloys. Nature (2025).

 https://doi.org/10.1038/s41586-025-08879-2