【AI讀進(jìn)展】鈦合金——深海裝備的“鋼鐵俠戰(zhàn)甲”，為何在深海中也會(huì)“生銹”？
2025-03-17 13:41:52
作者：中國科學(xué)院金屬研究所 來源：中國科學(xué)院金屬研究所
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在深海裝備領(lǐng)域，鈦合金就像超級(jí)英雄的鎧甲：它既輕盈又堅(jiān)固（比強(qiáng)度高），還能抵御海水腐蝕。但科學(xué)家最近發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這種“戰(zhàn)甲”來到氧氣稀薄的深海環(huán)境時(shí)，會(huì)面臨特殊的“脆化危機(jī)”——應(yīng)力腐蝕開裂。這背后的罪魁禍?zhǔn)祝故强此茻o害的氫元素。在深海高壓低氧環(huán)境中，鈦合金表面的保護(hù)膜一旦被機(jī)械應(yīng)力撕裂，就像戰(zhàn)甲出現(xiàn)了裂縫。此時(shí)，海水中的氫原子會(huì)像特工般悄然潛入金屬內(nèi)部。通過量子力學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)：• 氫原子會(huì)優(yōu)先聚集在材料裂紋尖端，形成“氫原子特攻隊(duì)”• 當(dāng)表面氫濃度達(dá)到臨界值（H:Ti=48:108），金屬晶格會(huì)發(fā)生“變身”（HCP→FCC結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變）• 這種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變就像多米諾骨牌，一旦啟動(dòng)就會(huì)加速裂紋擴(kuò)展二、實(shí)驗(yàn)室里的“顯微戰(zhàn)爭”金屬所科學(xué)家借助超級(jí)顯微鏡——散裂中子源中子成像技術(shù)，實(shí)時(shí)捕捉到氫原子在鈦合金中的行蹤：• 在α+β雙相結(jié)構(gòu)中，氫更偏愛β相，導(dǎo)致其晶格扭曲變形• 在α相晶粒中發(fā)現(xiàn)新型周期性結(jié)構(gòu)，這可能是氫化物變身的“中間態(tài)”• 添加鐵、鉻等元素時(shí)，氫會(huì)“策反”這些元素，誘發(fā)新型金屬相生成研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)控合金成分和微觀結(jié)構(gòu)，可以建立抵御氫脆的防線：• 控制β穩(wěn)定元素（如Fe、Cr）的含量，能改變氫的擴(kuò)散路徑• 優(yōu)化熱處理工藝，可以阻止有害氫化物的形成• 新發(fā)現(xiàn)的BCC-FCC相變機(jī)制為設(shè)計(jì)自修復(fù)材料提供思路這項(xiàng)突破不僅保障了深海裝備的安全性，更為氫能源儲(chǔ)存、燃料電池等新興領(lǐng)域提供了關(guān)鍵材料技術(shù)支持。就像為鈦合金裝備開發(fā)了“防氫裝甲”，讓這種神奇金屬能在更嚴(yán)苛的環(huán)境中繼續(xù)守護(hù)人類探索深海的夢(mèng)想。
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