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【進展】鈦合金氫脆機制研究取得新進展

2025-03-17 13:39:59 作者：中國科學院金屬研究所來源：中國科學院金屬研究所分享至：

鈦合金具有比強度高、耐海水腐蝕等特性，是深海裝備的關鍵結構材料。深海低溶解氧濃度環境下，防護鈦合金表面的氧化膜在應力作用下破裂后無法持續修復，鈦合金結構面臨應力腐蝕開裂的風險。氫脆是鈦合金深海應力腐蝕開裂的主要原因，氫的吸附、擴散和氫誘發相變是影響鈦合金應力腐蝕開裂敏感性的關鍵因素。為探究不同因素對鈦合金氫脆的影響，并為開展面向應力腐蝕性能的鈦合金材料優化設計提供支撐，楊銳、馬英杰、胡青苗研究團隊開展了理論計算及實驗研究，取得了階段進展。

在理論計算方面，針對鈦合金氫誘導開裂的關鍵機制，采用第一性原理方法研究了H與表面的相互作用及氫化物形成的熱力學及動力學。研究表明，氫原子易在鈦裂紋尖端表面吸附并由次表面到塊體內部依次富集。隨表面氫覆蓋率升高，表面能和表面斷裂功下降，可誘發解理斷裂，加速裂紋擴展。同時，氫原子的局部富集可誘發氫化物在裂尖前端形成，產生氫化物致脆 (Appl. Surf. Sci. 621:156871(2023),DOI: 10.1016/j.apsusc.2023.156871)。自由能計算結果表明，α-Ti-H固溶體與δ/ε氫化物為平衡相，χ/γ氫化物為亞穩相。隨氫原子濃度提高，氫化物形成過程中的HCP→FCC結構轉變能壘顯著下降；氫原子濃度超過臨界閾值(H:Ti=48:108)可誘導自發結構相變。結構轉變過程中滑移面上的氫原子可自發地從八面體間隙向四面體間隙轉移，非滑移面氫原子的遷移則需熱激活過程。(Acta Mater. 272: 119921 (2024),DOI: 10.1016/j.actamat.2024.119921)。

結合理論計算結果，開展了鈦合金中氫擴散及氫化物形成等實驗研究。利用散裂中子源中子成像技術表征了氫擴散初期在α+β雙相鈦合金表面的富集以及時效過程中在樣品中的自擴散行為，建立了中子透過率與氫含量的對應關系。研究結果表明，β相的氫固溶度遠大于α相，氫擴散誘發的β晶格畸變更大，并進一步通過調幅分解片層的粗化進行協調。α晶粒中析出了不同氫化物變體，在氫化物界面處發現一種新的周期性結構，認為是氫化物轉變的亞穩過渡相 (Scripta Mater. 256: 116410 (2025),DOI: 10.1016/j.scriptamat.2024.116410)。在此基礎上，進一步研究了Fe、Cr等β穩定元素及氫對合金相變的耦合作用，對Ti-Fe和Ti-Cr二元β合金熱處理充氫研究表明，氫的擴散降低了β相中Fe和Cr元素的固溶度，顯著促進B2結構TiFe相和C15結構TiCr₂相的析出，同時影響第二相與基體間的取向關系和相變協調機制。此外首次在鈦合金中發現氫致BCC-FCC馬氏體轉變，Baker-Nutting (B-N) 和Kurdjumov-Sachs (K-S) 取向關系的FCC相變分別發生在TiFe和TiCr₂相界面處，并伴隨大量的內部孿晶 (Acta Mater. 120906 (2025),DOI: 10.1016/j.actamat.2025.120906)。

相關工作有助于深入理解氫在鈦合金表面吸附、擴散及氫化物形成機理，為面向抗應力腐蝕鈦合金的成分、顯微結構優化設計提供了理論依據，也為鈦合金在氫能領域的推廣應用提供了工作基礎。

以上研究工作得到國家自然科學基金創新研究群體 (52401177)、聯合基金(U210620216)、青年基金 (52401177)，國家重點研發計劃項目(2021YFC2801800)，博士后專項，中國科學院特別研究助理資助項目和中國博士后科學基金面上項目(2022M723213)等資助。