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【進(jìn)展】鈦合金氫脆機(jī)制研究取得新進(jìn)展

2025-03-17 13:39:59 作者：中國(guó)科學(xué)院金屬研究所來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院金屬研究所分享至：

鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐海水腐蝕等特性，是深海裝備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。深海低溶解氧濃度環(huán)境下，防護(hù)鈦合金表面的氧化膜在應(yīng)力作用下破裂后無(wú)法持續(xù)修復(fù)，鈦合金結(jié)構(gòu)面臨應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。氫脆是鈦合金深海應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的主要原因，氫的吸附、擴(kuò)散和氫誘發(fā)相變是影響鈦合金應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性的關(guān)鍵因素。為探究不同因素對(duì)鈦合金氫脆的影響，并為開(kāi)展面向應(yīng)力腐蝕性能的鈦合金材料優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支撐，楊銳、馬英杰、胡青苗研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)研究，取得了階段進(jìn)展。

在理論計(jì)算方面，針對(duì)鈦合金氫誘導(dǎo)開(kāi)裂的關(guān)鍵機(jī)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(xué)及動(dòng)力學(xué)。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(nèi)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(fā)解理斷裂，加速裂紋擴(kuò)展。同時(shí)，氫原子的局部富集可誘發(fā)氫化物在裂尖前端形成，產(chǎn)生氫化物致脆 (Appl. Surf. Sci. 621:156871(2023),DOI: 10.1016/j.apsusc.2023.156871)。自由能計(jì)算結(jié)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(wěn)相。隨氫原子濃度提高，氫化物形成過(guò)程中的HCP→FCC結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變能壘顯著下降；氫原子濃度超過(guò)臨界閾值(H:Ti=48:108)可誘導(dǎo)自發(fā)結(jié)構(gòu)相變。結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過(guò)程中滑移面上的氫原子可自發(fā)地從八面體間隙向四面體間隙轉(zhuǎn)移，非滑移面氫原子的遷移則需熱激活過(guò)程。(Acta Mater. 272: 119921 (2024),DOI: 10.1016/j.actamat.2024.119921)。

結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果，開(kāi)展了鈦合金中氫擴(kuò)散及氫化物形成等實(shí)驗(yàn)研究。利用散裂中子源中子成像技術(shù)表征了氫擴(kuò)散初期在α+β雙相鈦合金表面的富集以及時(shí)效過(guò)程中在樣品中的自擴(kuò)散行為，建立了中子透過(guò)率與氫含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。研究結(jié)果表明，β相的氫固溶度遠(yuǎn)大于α相，氫擴(kuò)散誘發(fā)的β晶格畸變更大，并進(jìn)一步通過(guò)調(diào)幅分解片層的粗化進(jìn)行協(xié)調(diào)。α晶粒中析出了不同氫化物變體，在氫化物界面處發(fā)現(xiàn)一種新的周期性結(jié)構(gòu)，認(rèn)為是氫化物轉(zhuǎn)變的亞穩(wěn)過(guò)渡相 (Scripta Mater. 256: 116410 (2025),DOI: 10.1016/j.scriptamat.2024.116410)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了Fe、Cr等β穩(wěn)定元素及氫對(duì)合金相變的耦合作用，對(duì)Ti-Fe和Ti-Cr二元β合金熱處理充氫研究表明，氫的擴(kuò)散降低了β相中Fe和Cr元素的固溶度，顯著促進(jìn)B2結(jié)構(gòu)TiFe相和C15結(jié)構(gòu)TiCr₂相的析出，同時(shí)影響第二相與基體間的取向關(guān)系和相變協(xié)調(diào)機(jī)制。此外首次在鈦合金中發(fā)現(xiàn)氫致BCC-FCC馬氏體轉(zhuǎn)變，Baker-Nutting (B-N) 和Kurdjumov-Sachs (K-S) 取向關(guān)系的FCC相變分別發(fā)生在TiFe和TiCr₂相界面處，并伴隨大量的內(nèi)部孿晶 (Acta Mater. 120906 (2025),DOI: 10.1016/j.actamat.2025.120906)。

相關(guān)工作有助于深入理解氫在鈦合金表面吸附、擴(kuò)散及氫化物形成機(jī)理，為面向抗應(yīng)力腐蝕鈦合金的成分、顯微結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，也為鈦合金在氫能領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供了工作基礎(chǔ)。

以上研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體 (52401177)、聯(lián)合基金(U210620216)、青年基金 (52401177)，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2021YFC2801800)，博士后專(zhuān)項(xiàng)，中國(guó)科學(xué)院特別研究助理資助項(xiàng)目和中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2022M723213)等資助。