近日，《Scripta Materialia》期刊發布了一項基礎研究，揭示了回歸再時效（RRA）技術在提升7系（AlZnMgCu）鋁合金抗氫脆性能方面的新機理。這一突破有望推動航空領域的關鍵輕合金材料實現重大性能提升[1]。

原文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646224004184

7系鋁合金作為全球航空工業的重要輕合金，在波音737等主流機型中占比超過80%。但由于氫脆現象（即材料內氫原子引發裂紋），材料強化升級受到限制，如峰值強度超過750 MPa（比強度相當于2 GPa鋼材）的超強高鋅鋁合金由于其較低的抗氫性能被長期禁用。盡管1974年提出的RRA技術可在不犧牲強度的前提下提升鋁合金抗氫性能，但五十年來對該技術的理解多集中于晶界，而對占據大多數的晶內析出相的影響尚未得到深入解析。這是因為晶間（沿晶界）裂紋和穿晶（晶粒內部）裂紋難以解耦，析出相η-MgZn?和過渡相η'的氫捕捉機制尚不清楚，以及氫脆核心機理研究長期存在爭議。

該研究巧妙地選擇一種在充氫過程中呈現完全準解理開裂特征（即穿晶開裂）的高鋅合金，并借助同步輻射四維成像和球差矯正透射電子顯微鏡技術，發現RRA處理后半共格η相的比例增加，在強度不變的條件下明顯提高了材料的抗穿晶開裂性能。研究團隊提出，在厚度約2 nm的析出相中引入單層原子級的失配位錯，可有效降低共格析出相界面上的氫濃度，抑制該界面上的氫致剝離過程。

研究得益于該團隊近年提出的η界面剝離氫脆機理[2]。該團隊此前還提出第一代7系鋁合金中的氫原子主要分布于含鐵顆粒內部[3]，這與三代合金（7075/7050/7085）中隨著Fe/Si雜質含量降低而氫脆敏感性逐步升高的規律高度吻合；發現T相是一種強氫陷阱[4]，有助于定量理解和改善含高溫時效的單步/多步工業熱處理制度；此外，還澄清了眾多金屬間化合物對7系鋁合金氫脆的影響[5]。研究得到九州大學超級電子顯微鏡中心科研團隊的強力支持，該中心擁有多臺原子級球差透射電鏡以及世界上唯一具有omega型能量分光器的超高壓透射電鏡。不斷成熟的接近物理成像極限的原子級成像技術，能夠實現對厚度50 nm以內樣品中僅有幾層原子厚的顆粒進行逐個結構表征與分類，為本研究提供了關鍵技術支持。

研究由九州大學杰出教授H. Toda團隊的特任準教授王亞飛負責完成，得到了日本戰略創新研究計劃（CREST項目）和世界能量最高同步輻射光源（SPring8）的強力支持。Toda教授在鋁合金氫脆和同步輻射X射線成像領域具有超過20年的研究經驗，并在領域著名專業期刊《Acta Materialia》上發表了約20篇論文。此外，SPring8光源在2018年開發了特殊的超遠距離高壓成像技術，通過使用30 kV的高壓X射線和距離樣品165米遠的高性能成像裝置，實現了其他主流光源無法達到的高密度金屬材料（如鋼、鈦合金）的高分辨率三維成像。該裝置還可以實現對同一個樣品進行微米CT和納米CT的多模態成像[6, 7]。

參考文獻

[1] Y. Wang, H. Toda, H. Fujihara, K. Shimizu, K. Hirayama, A. Takeuchi, M. Uesugi, Role of retrogression and reaging in suppressing hydrogen-induced transgranular cracking in 7xxx Al alloys, Scripta Mater.(2024).

[2] T. Tsuru, K. Shimizu, M. Yamaguchi, M. Itakura, K. Ebihara, A. Bendo, K. Matsuda, H. Toda, Hydrogen-accelerated spontaneous microcracking in high-strength aluminium alloys, Sci. Rep. 10(1) (2020) 1998.

[3] Y. Wang, H. Toda, Y. Xu, K. Shimizu, K. Hirayama, H. Fujihara, A. Takeuchi, M. Uesugi, In-situ 3D observation of hydrogen-assisted particle damage behavior in 7075 Al alloy by synchrotron X-ray tomography, Acta Mater. 227 (2022) 117658.

[4] Y. Wang, B. Sharma, Y. Xu, K. Shimizu, H. Fujihara, K. Hirayama, A. Takeuchi, M. Uesugi, G. Cheng, H. Toda, Switching nanoprecipitates to resist hydrogen embrittlement in high-strength aluminum alloys, Nat. Commun. 13(1) (2022) 6860.

[5] Y. Xu, H. Toda, K. Shimizu, Y. Wang, B. Gault, W. Li, K. Hirayama, H. Fujihara, X. Jin, A. Takeuchi, M. Uesugi, Suppressed hydrogen embrittlement of high-strength Al alloys by Mn-rich intermetallic compound particles, Acta Mater. 236 (2022) 118110.

[6] H. Toda, K. Hirayama, K. Okamura, T. Suzuki, A. Takeuchi, M. Uesugi, H. Fujihara, Multimodal assessment of mechanically induced transformation in metastable multi‐phase steel using X‐ray nano‐tomography and pencil‐beam diffraction tomography, Acta Mater. 234 (2022) 117956.

[7] H. Toda, X-Ray CT: Hardware and Software Techniques, Springer Nature2021.