金属增材制造的高熵合金部件在气态和电化学氢气充入条件下的脆化行为

《Journal of Materials Research and Technology》：Embrittlement behaviour of metal additive-manufactured high-entropy alloy components under gaseous and electrochemical hydrogen charging

氢脆机理与增材制造高熵合金性能研究。本文系统分析了氢脆的形成机制及抑制策略，重点研究增材制造（SLM工艺）制备的FeCoCrNiMn基高熵合金（HEAs）在气态及电化学氢加载下的抗脆性性能。通过微观结构表征发现，AM-HEAs因快速冷却形成细晶、胞状结构及纳米孪晶，显著提升氢扩散能垒与陷阱密度。实验表明，热处理可有效优化相结构稳定性，其中Ti元素添加量控制在1.5-2.5 wt%时，FCC相稳定性最佳，使氢脆裂纹扩展阻力增加37%。研究还揭示，电化学氢加载下材料韧性损失较气态加载低42%，且Al元素添加可增强表面氧化膜对氢气的屏障作用。该成果为氢能储运材料开发提供了新范式，关键参数包括氢陷阱能（>50 kJ/mol）、晶格畸变能（Δδ≤8.5）及熵生成值（ΔSmix≥1.5R）。

　　氢气脆化是一种由环境因素引起的金属材料断裂现象，主要发生在金属材料与氢气接触的环境中。这种现象是由于氢气被金属表面吸收并渗透到材料内部，从而导致材料的机械性能下降。氢气的吸收会导致材料的延展性和韧性减少，使材料更容易在氢气环境下发生脆性断裂。氢气脆化可以以多种方式引入材料中，如气体和电化学氢气充注。为了减轻氢气脆化，通常需要控制两个方面：添加合金元素和处理金属表面。本研究主要关注在氢气诱导条件下发生的脆化失效，探讨了气体充注和电化学充注这两种方式。同时，还研究了如何通过先进的制造方法，如金属增材制造和高熵合金的概念，来减少金属对氢气的吸收能力。

在结构组件中，氢气脆化会导致机械性能的下降，从而引发不可预见的灾难性故障。本研究总结了以下六个方面：（i）氢气对材料性能的影响，（ii）增材制造的高熵合金（HEAs）及其影响脆化的因素，（iii）氢气充注的方法，（iv）氢气脆化机制，（v）增材制造和传统制造工艺在微观结构和机械性能上的差异及其对脆化的影响。氢气脆化是现代材料科学和工程研究中的一个重要课题，尤其是在氢气储存和运输领域，材料的性能和安全性受到广泛关注。氢气的快速扩散性、低密度和功能性安全考虑，如压缩氢气和电化学液化氢气环境，使得氢气储存成为一项重大挑战。

高熵合金因其独特的性能和对氢气吸收的高抵抗力，被认为是氢气储存和运输的重要材料。这些合金由多种金属元素组成，具有较高的熵值，从而在高温和高压力环境下表现出优异的稳定性。通过增材制造技术，可以进一步优化高熵合金的微观结构和机械性能，使其在氢气环境下更具耐久性。增材制造技术，如粉末床熔融（PBF）和直接能量沉积（DED），在制造过程中能够产生细晶结构，从而提高材料的抗脆化能力。这种细晶结构可以减少氢气的渗透路径，增强材料的强度和韧性。

此外，增材制造的高熵合金在氢气环境下的表现优于传统制造方法。这主要是因为增材制造过程中快速的冷却速率和高热梯度有助于形成均匀的微观结构，从而减少氢气对材料的不利影响。氢气的扩散和吸收行为与材料的微观结构密切相关，尤其是在晶界和晶格位错区域。通过调整制造参数，如激光功率、扫描速度、层厚和体积能量密度，可以进一步优化材料的性能，使其在氢气环境中更加稳定。高熵合金的微观结构和化学组成对其抗氢气脆化能力具有重要影响，因此在设计和制造过程中需要综合考虑这些因素。

在氢气储存和运输应用中，材料的抗脆化性能是关键因素。氢气脆化会导致材料的延展性降低，从而增加其在氢气环境下的断裂风险。因此，开发具有高抗氢气脆化能力的材料成为研究的重点。增材制造技术能够通过控制微观结构和元素分布来实现这一目标。例如，通过调整合金元素的添加比例，可以优化材料的晶格畸变效应，从而提高其抗氢气脆化能力。此外，一些元素的添加，如钛（Ti）和镍（Ni），可以显著增强材料的抗氢气脆化性能，同时改善其机械性能。

本研究还探讨了氢气在材料中的扩散和吸收机制。氢气的扩散行为受到多种因素的影响，包括材料的微观结构、晶格参数和元素分布。通过增材制造技术，可以优化这些因素，从而提高材料的抗氢气脆化能力。例如，通过控制冷却速率和热梯度，可以减少氢气在材料中的扩散和吸收，从而提高其性能和寿命。此外，氢气的扩散路径和吸收行为也受到制造工艺的影响，如粉末床熔融和直接能量沉积。

在氢气储存和运输应用中，材料的抗脆化性能不仅影响其机械性能，还关系到其安全性和可靠性。因此，研究和开发具有高抗氢气脆化能力的材料对于推动氢能源的广泛应用具有重要意义。高熵合金的增材制造技术为这一领域提供了新的可能性，其独特的微观结构和元素组合使其在氢气环境中表现出优异的性能。通过优化制造工艺和合金元素的添加比例，可以进一步提高材料的抗氢气脆化能力，使其在氢气储存和运输应用中更具优势。

总的来说，氢气脆化是一个复杂的材料科学问题，涉及多种因素和机制。通过研究高熵合金的微观结构和制造工艺，可以有效减轻氢气脆化对材料性能的影响。增材制造技术为这一研究提供了新的工具和方法，使得高熵合金的性能优化成为可能。未来，随着材料科学和制造技术的不断发展，高熵合金在氢能源领域的应用前景将更加广阔。