在“双碳”战略推动下，“氢能经济”正逐步成为未来社会发展的关键力量。氢能的高效存储与运输，对金属结构材料的服役性能提出了更为严苛的要求。其中，铝合金凭借其轻质、高比强、优异低温性能等诸多优势，成为轻量化发展的首选材料，并被视为“氢能经济”的重要候选。然而，类似于高强钢和钛合金，铝合金同样面临氢脆问题：当氢原子进入材料内部，其塑性显著降低，易在低应力下发生脆断，导致材料无预警失效。例如，传统高强铝合金在仅1~3 ppmw氢含量下，其拉伸延伸率可下降超过50%。

　　氢脆被誉为“金属界的瘟神”，严重制约了铝合金在氢能系统及潮湿服役环境中的应用。多年来，研究者提出了多种氢脆机制模型，并发展了若干微观组织设计方法用于抑制氢脆。得益于三维原子探针等原子级别表征技术的发展，人们逐步认识到：调控铝合金中的金属间化合物第二相颗粒，是提升其抗氢脆性能的关键途径。这些颗粒能作为有效的氢陷阱，稳定氢原子，减少氢在晶界、相界等易脆断区域的偏聚。其中，颗粒对氢的吸附能力以氢结合能（Eb）衡量，Eb越大，其吸氢能力越强。

　　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。并于近日在《nature》杂志发表突破性成果。

　　文章连接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08879-2

摘自：材料科学

　　研究发现：铝合金中自然形成的第二相颗粒主要包括三类——在凝固过程中形成的粗大结晶相（Constituent particles）、时效过程中析出的纳米沉淀相（Precipitate particles）以及固溶或均匀化处理中形成的亚微米弥散相（Dispersoid particles）。其中，粗大结晶相颗粒虽具高Eb，但数量稀少、分布不均；纳米沉淀相虽界面比例大、分布密集，但Eb较低，吸氢能力不足；而弥散相则在吸氢能力和分布特性上处于二者之间。

　　理想的抗氢脆第二相应具备高密度、均匀分布与高Eb三者兼具的特性。由于自然形成的颗粒难以满足这一要求，研究团队提出了一种人为构建高Eb纳米颗粒的策略：靶向设计析出行为，使其呈现纳米化、弥散分布特征。其中，复杂金属相（Complex Metallic Phase, CMP）因其特殊结构，如二十面体配位、高原子数密度与大晶格常数等，被认为是理想的氢陷阱。尤其是Samson相Al₃Mg₂，其具有近40%的结构空位，第一性原理计算显示其Eb超过0.9 eV/atom，显著优于现有铝合金第二相。

　　然而，Samson相因高形核能垒，往往仅在晶界等高能区形成微米级粗大颗粒，难以在晶粒内实现高密度析出。为此，研究团队在Al-Mg（Mg含量4.5~7.5 wt.%）合金中微量添加Sc，并设计“两步热处理”工艺实现Samson相的纳米化析出。第一步通过时效处理，在晶粒内预析出高密度、尺寸分布均一的L1₂结构Al₃Sc纳米颗粒（平均尺寸约14 nm）；第二步则利用Al₃Sc与Samson相前驱体Al₃Mg在晶格结构上的相近性，通过类模板诱导和原子间作用，原位形成了Al₃(Mg,Sc)₂复合纳米颗粒。

　　进一步研究发现，Al₃Sc纳米颗粒在尺寸小于10 nm时，与基体保持良好的共格性，仅有轻微Mg偏聚；当颗粒尺寸大于10 nm，则在界面形成失配位错，促进Mg扩散与偏聚，最终生成核壳结构Al₃(Mg,Sc)₂/Al₃Sc复合纳米相。双颗粒协同作用下，细小Al₃Sc颗粒提供强化效应（密度约2.4 × 10²¹ m⁻³），而高Eb的复合纳米颗粒（密度约5.6 × 10²¹ m⁻³）显著提升氢陷阱能力。实验表明，所制备的Al-Mg-Sc合金相较于未加Sc的合金，强度提升达40%、抗氢脆性能提高近5倍。在高达7.0 ppmw氢含量下，其延伸率下降幅度仍小于10%，拉伸均匀延伸率大于10%，全面优于已报道铝合金。

　　这一微观组织调控策略，打破了传统铝合金“强度提高必伴随氢脆加剧”的制约，实现了强度与抗氢脆性能的协同提升，开辟了高强抗氢脆铝合金理性设计的新路径。

　　结语：

　　西安交通大学团队在抗氢脆铝合金领域的突破性研究，不仅为 "双碳" 战略下氢能经济的材料瓶颈提供了切实可行的解决方案，更展现出基础研究与工程应用深度融合的创新力量。通过巧妙调控复杂金属相的纳米析出行为，团队成功打破铝合金强度与抗氢脆性能难以兼顾的固有矛盾，这种微观组织设计思路为金属材料的多性能协同优化开辟了新范式。展望未来，随着复杂金属相在更多功能领域的潜力逐步释放，金属材料的结构 - 功能一体化发展必将迎来更广阔的空间，持续为能源转型与高端装备制造注入创新动能。