近日，《Scripta Materialia》期刊发布了一项基础研究，揭示了回归再时效（RRA）技术在提升7系（AlZnMgCu）铝合金抗氢脆性能方面的新机理。这一突破有望推动航空领域的关键轻合金材料实现重大性能提升[1]。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646224004184
7系铝合金作为全球航空工业的重要轻合金，在波音737等主流机型中占比超过80%。但由于氢脆现象（即材料内氢原子引发裂纹），材料强化升级受到限制，如峰值强度超过750 MPa（比强度相当于2 GPa钢材）的超强高锌铝合金由于其较低的抗氢性能被长期禁用。尽管1974年提出的RRA技术可在不牺牲强度的前提下提升铝合金抗氢性能，但五十年来对该技术的理解多集中于晶界，而对占据大多数的晶内析出相的影响尚未得到深入解析。这是因为晶间（沿晶界）裂纹和穿晶（晶粒内部）裂纹难以解耦，析出相η-MgZn₂和过渡相η'的氢捕捉机制尚不清楚，以及氢脆核心机理研究长期存在争议。
该研究巧妙地选择一种在充氢过程中呈现完全准解理开裂特征（即穿晶开裂）的高锌合金，并借助同步辐射四维成像和球差矫正透射电子显微镜技术，发现RRA处理后半共格η相的比例增加，在强度不变的条件下明显提高了材料的抗穿晶开裂性能。研究团队提出，在厚度约2 nm的析出相中引入单层原子级的失配位错，可有效降低共格析出相界面上的氢浓度，抑制该界面上的氢致剥离过程。
研究得益于该团队近年提出的η界面剥离氢脆机理[2]。该团队此前还提出第一代7系铝合金中的氢原子主要分布于含铁颗粒内部[3]，这与三代合金（7075/7050/7085）中随着Fe/Si杂质含量降低而氢脆敏感性逐步升高的规律高度吻合；发现T相是一种强氢陷阱[4]，有助于定量理解和改善含高温时效的单步/多步工业热处理制度；此外，还澄清了众多金属间化合物对7系铝合金氢脆的影响[5]。研究得到九州大学超级电子显微镜中心科研团队的强力支持，该中心拥有多台原子级球差透射电镜以及世界上唯一具有omega型能量分光器的超高压透射电镜。不断成熟的接近物理成像极限的原子级成像技术，能够实现对厚度50 nm以内样品中仅有几层原子厚的颗粒进行逐个结构表征与分类，为本研究提供了关键技术支持。
研究由九州大学杰出教授H. Toda团队的特任准教授王亚飞负责完成，得到了日本战略创新研究计划（CREST项目）和世界能量最高同步辐射光源（SPring8）的强力支持。Toda教授在铝合金氢脆和同步辐射X射线成像领域具有超过20年的研究经验，并在领域著名专业期刊《Acta Materialia》上发表了约20篇论文。此外，SPring8光源在2018年开发了特殊的超远距离高压成像技术，通过使用30 kV的高压X射线和距离样品165米远的高性能成像装置，实现了其他主流光源无法达到的高密度金属材料（如钢、钛合金）的高分辨率三维成像。该装置还可以实现对同一个样品进行微米CT和纳米CT的多模态成像[6, 7]。
参考文献
[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.
来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队大力支持。
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