铝含量对Ti-Al二元合金氢行为的影响机制：从氢吸收抑制到氢化物形核调控

针对钛合金在氢环境中易发生氢脆的问题，研究人员系统研究了Al含量（2-8 wt%）对Ti-Al合金氢行为的影响。通过热气相氢化实验结合第一性原理计算，发现Al通过占据八面体间隙位点抑制Ti-H键形成，降低氢吸收能力（Ti-8Al仅吸收0.64 wt% H），同时促使氢化物取向关系从OR2向OR1转变。该研究为高铝钛合金的氢相容性设计提供了理论依据。

　　

钛合金因其优异的强度重量比和耐腐蚀性，在航空航天和海洋工程等领域应用广泛。然而在氢环境中，钛合金组件面临严重的氢脆风险——氢原子渗入材料后会形成脆性氢化物，导致力学性能急剧下降。更棘手的是，作为钛合金主要添加元素的铝（Al），虽能提升合金强度，但其对氢行为的影响机制长期存在争议：Al究竟会促进还是抑制氢损伤？这个问题直接关系到高铝钛合金在氢环境中的可靠性设计。

为破解这一难题，中国科学院金属研究所的研究团队开展了Ti-Al二元合金（Al含量2-8 wt%）的氢行为系统性研究。通过创新性地设计对比实验，结合多尺度表征和理论计算，首次揭示了Al影响氢行为的微观机制。相关成果发表在《Materials》上，为钛合金的氢相容性优化提供了重要指导。

研究采用四大关键技术：1）热气相氢化实验（400°C密封管体系）精确控制氢浓度；2）自动压力-组成-温度（PCT）测试量化氢吸收动力学；3）电子背散射衍射（EBSD）解析氢化物取向关系；4）第一性原理计算（VASP软件）模拟Al-H原子相互作用。所有合金样品均通过真空电弧重熔和多道次锻造制备，确保成分均匀性。

3.1 Al对氢吸收及氢化物转变的影响
氢吸收动力学曲线显示，Al显著降低合金的氢存储能力，Ti-2Al和Ti-8Al的饱和吸氢量分别为4.10 wt%和0.64 wt%。第一性原理计算揭示其机制：Al强烈吸引八面体间隙位（O位）的H原子（相互作用能达-0.48 eV），阻碍Ti-H键形成。更关键的是，XRD和TEM证实Al会改变氢化物类型——低氢浓度（≈0.1 wt%）时以OR2型氢化物（{0001}α//{111}TiH_x
）为主，而高氢浓度（>0.5 wt%）时转变为OR1型（{0001}α//{002}TiH_x
）。

3.2 Al对氢化物形核机制的作用
EBSD统计表明，无论Al含量如何，氢化物变体选择始终遵循"最小界面偏差"原则（85%符合率）。但TEM发现Al会诱发氢化物内部缺陷：Ti-8Al中OR1型氢化物含有大量{111}堆垛层错和孪晶（图8f）。计算表明，Al增加使α→δ相变体积膨胀率从20.8%（Ti-2Al）升至21.8%（Ti-6Al），更高的应变能需通过缺陷形成来释放。

3.3 Al对氢致开裂行为的调控
维氏硬度测试显示，Al的固溶强化使Ti-8Al硬度提升35%，但氢化后裂纹密度激增。有趣的是，裂纹形貌随Al含量演变：Ti-2Al以沿晶裂纹为主，而Ti-8Al出现特征性"鱼骨状"穿晶裂纹（图10h）。研究提出新机制：Al在α相中的偏聚会压缩裂纹尖端塑性区的高宽比（l/r），当该比值<1时裂纹转向穿晶扩展。

这项研究建立了Al含量-氢行为-损伤模式的完整关联链，主要结论有三：首先，Al通过占据O位抑制氢吸收，使Ti-8Al的吸氢量降低至Ti-2Al的36%。其次，高Al含量促进OR1型氢化物形成，并诱发堆垛缺陷以协调更大相变应变（21.8%）。最后，Al的固溶强化会改变裂纹扩展路径，使高铝钛合金更易产生穿晶开裂。这些发现不仅深化了对钛合金氢脆机制的理解，更为设计抗氢损钛合金提供了明确方向——适度控制Al含量（<6 wt%）可平衡强度与氢相容性。

值得注意的是，研究还发现氢化会诱导Ti-8Al中析出α₂
-Ti₃
Al相（图13b），这种二次相变可能进一步加剧材料脆化。未来研究可结合原位表征技术，追踪氢化过程中Al元素的动态再分布行为，为多场耦合环境下的钛合金设计提供更精准的调控策略。