氢与铸造缺陷对Cu–Al–Ni–Fe–Mn铸造合金疲劳行为的协同作用机制研究

为应对氢能组件安全性与成本挑战，日本研究人员针对Cu–Al–Ni–Fe–Mn铸造合金（JIS-CAC702）开展氢环境疲劳行为研究。通过100 MPa/270°C氢预充及旋转弯曲疲劳测试，发现氢虽诱发局部滑移变形，但通过提升硬度轻微延长疲劳寿命（0.1–10 Hz），且铸造缺陷始终为裂纹起源。该研究为低成本抗氢脆（HE）材料设计提供新思路，成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

　　

在全球加速推进碳中和社会建设的背景下，氢能因其绿色特性成为能源转型的关键选项。然而，氢能基础设施面临两大核心挑战：材料在高压氢环境下的氢脆（Hydrogen Embrittlement, HE）风险，以及高成本材料的规模化应用限制。传统抗HE材料如316L不锈钢虽性能稳定，但强度不足且成本高昂；而高强度铜铍合金（Cu–Be）虽表现优异，却存在毒性问题。如何在保证安全性的同时实现降本增效，成为氢能技术推广的"卡脖子"难题。

日本研究人员将目光投向具有商业潜力的Cu–Al–Ni–Fe–Mn铸造合金（JIS-CAC702）。这种铝青铜合金不仅成本仅为不锈钢的1/3，其78 wt%以上的铜含量还预示良好抗HE特性，特别适合制造液氢系统大口径阀门等复杂构件。但铸造工艺不可避免引入缺陷，而氢环境对含缺陷材料疲劳行为的影响尚不明确。为此，研究团队通过高压氢预充（100 MPa/270°C×200 h）结合旋转弯曲疲劳测试（0.1–10 Hz），首次系统评估了氢与铸造缺陷对该合金疲劳性能的交互作用。

关键技术方法包括：1）采用JIS H5120标准制备砂型铸造试样；2）通过SEM/EDX表征α固溶体与κ_I
/κ_III
析出相；3）设计人工表面缺陷（200 μm）隔离自然缺陷干扰；4）基于氢诱导连续裂纹扩展（HISCG）模型分析裂纹尖端变形。

研究结果
微观结构特征
SEM显示合金存在α相（Al固溶于Cu基体）与κ相（Fe/Ni富集析出相）。氢预充后κ_III
相周围出现纳米级位错缠结，但未形成氢致裂纹敏感相γ₂
。

疲劳裂纹起源
所有断裂均始于铸造缺陷（50–300 μm），人工缺陷实验证实氢未改变裂纹萌生位置。氢预充试样裂纹萌生寿命延长10%，归因于氢致硬度提升（HV增加5%）。

裂纹扩展行为
氢未显著加速疲劳裂纹扩展速率（FCG），10 Hz下da/dN曲线与未充氢组重叠。0.1 Hz时氢诱导局部滑移带形成，但受FCC结构抑制，未出现BCC合金典型的氢促进解理断裂。

疲劳极限提升
氢预充试样疲劳极限提高5%，这与氢钉扎位错导致的循环硬化有关。但低氢含量（<0.5 ppm）限制了强化效果，总体影响轻微。

结论与意义
该研究揭示Cu–Al–Ni–Fe–Mn铸造合金在氢环境中表现"反常"行为：1）氢通过固溶强化轻微提升疲劳性能，颠覆传统HE材料的性能劣化认知；2）铸造缺陷仍是疲劳寿命主导因素，氢-缺陷协同效应呈弱正相关；3）FCC结构抑制了氢增强局部塑性（HELP）的负面效应。这些发现为液氢系统低成本铸件选材提供理论依据，证实通过成分优化（如调控κ相分布）可进一步平衡强度与抗HE性能。未来研究需关注更高氢压（>100 MPa）下相变行为及长周期疲劳损伤累积机制。