钛合金具有比强度高、耐海水腐蚀等特性，是深海装备的关键结构材料。深海低溶解氧浓度环境下，防护钛合金表面的氧化膜在应力作用下破裂后无法持续修复，钛合金结构面临应力腐蚀开裂的风险。氢脆是钛合金深海应力腐蚀开裂的主要原因，氢的吸附、扩散和氢诱发相变是影响钛合金应力腐蚀开裂敏感性的关键因素。为探究不同因素对钛合金氢脆的影响，并为开展面向应力腐蚀性能的钛合金材料优化设计提供支撑，杨锐、马英杰、胡青苗研究团队开展了理论计算及实验研究，取得了阶段进展。
在理论计算方面，针对钛合金氢诱导开裂的关键机制，采用第一性原理方法研究了H与表面的相互作用及氢化物形成的热力学及动力学。研究表明，氢原子易在钛裂纹尖端表面吸附并由次表面到块体内部依次富集。随表面氢覆盖率升高，表面能和表面断裂功下降，可诱发解理断裂，加速裂纹扩展。同时，氢原子的局部富集可诱发氢化物在裂尖前端形成，产生氢化物致脆 (Appl. Surf. Sci. 621:156871(2023),DOI: 10.1016/j.apsusc.2023.156871)。自由能计算结果表明，α-Ti-H固溶体与δ/ε氢化物为平衡相，χ/γ氢化物为亚稳相。随氢原子浓度提高，氢化物形成过程中的HCP→FCC结构转变能垒显著下降；氢原子浓度超过临界阈值(H:Ti=48:108)可诱导自发结构相变。结构转变过程中滑移面上的氢原子可自发地从八面体间隙向四面体间隙转移，非滑移面氢原子的迁移则需热激活过程。(Acta Mater. 272: 119921 (2024),DOI: 10.1016/j.actamat.2024.119921)。
结合理论计算结果，开展了钛合金中氢扩散及氢化物形成等实验研究。利用散裂中子源中子成像技术表征了氢扩散初期在α+β双相钛合金表面的富集以及时效过程中在样品中的自扩散行为，建立了中子透过率与氢含量的对应关系。研究结果表明，β相的氢固溶度远大于α相，氢扩散诱发的β晶格畸变更大，并进一步通过调幅分解片层的粗化进行协调。α晶粒中析出了不同氢化物变体，在氢化物界面处发现一种新的周期性结构，认为是氢化物转变的亚稳过渡相 (Scripta Mater. 256: 116410 (2025),DOI: 10.1016/j.scriptamat.2024.116410)。在此基础上，进一步研究了Fe、Cr等β稳定元素及氢对合金相变的耦合作用，对Ti-Fe和Ti-Cr二元β合金热处理充氢研究表明，氢的扩散降低了β相中Fe和Cr元素的固溶度，显著促进B2结构TiFe相和C15结构TiCr2相的析出，同时影响第二相与基体间的取向关系和相变协调机制。此外首次在钛合金中发现氢致BCC-FCC马氏体转变，Baker-Nutting (B-N) 和Kurdjumov-Sachs (K-S) 取向关系的FCC相变分别发生在TiFe和TiCr2相界面处，并伴随大量的内部孪晶 (Acta Mater. 120906 (2025),DOI: 10.1016/j.actamat.2025.120906)。
相关工作有助于深入理解氢在钛合金表面吸附、扩散及氢化物形成机理，为面向抗应力腐蚀钛合金的成分、显微结构优化设计提供了理论依据，也为钛合金在氢能领域的推广应用提供了工作基础。
以上研究工作得到国家自然科学基金创新研究群体 (52401177)、联合基金(U210620216)、青年基金 (52401177)，国家重点研发计划项目(2021YFC2801800)，博士后专项，中国科学院特别研究助理资助项目和中国博士后科学基金面上项目(2022M723213)等资助。
图1. 氢原子倾向于向Ti表面扩散：(a)路径，(b)势能曲线以及(c)不同分布状态下的相对能量。
图2. (a) HCP-Ti以及FCC氢化物的BCT视角，(b) 不同氢掺杂方式的α-Ti和TiHm 形成能，(c) α-Ti→TiHm相结构转变势能曲线，(d) 相变中的氢原子扩散势垒。
图3. (a) 中子成像氢分布图，(b,c) β相中条幅分解片层形貌，(d,e) α相中氢化物及亚稳过渡相形貌。
图4. 氢诱发TiFe和TiCr2相，相界面处的FCC层以及β相与FCC相间的取向关系。
AI读进展：钛合金——深海装备的“钢铁侠战甲”，为何在深海中也会“生锈”？
在深海装备领域，钛合金就像超级英雄的铠甲：它既轻盈又坚固（比强度高），还能抵御海水腐蚀。但科学家最近发现，当这种“战甲”来到氧气稀薄的深海环境时，会面临特殊的“脆化危机”——应力腐蚀开裂。这背后的罪魁祸首，竟是看似无害的氢元素。
一、氢元素的“潜伏行动”
在深海高压低氧环境中，钛合金表面的保护膜一旦被机械应力撕裂，就像战甲出现了裂缝。此时，海水中的氢原子会像特工般悄然潜入金属内部。通过量子力学计算发现：
• 氢原子会优先聚集在材料裂纹尖端，形成“氢原子特攻队”
• 当表面氢浓度达到临界值（H:Ti=48:108），金属晶格会发生“变身”（HCP→FCC结构转变）
• 这种结构转变就像多米诺骨牌，一旦启动就会加速裂纹扩展
二、实验室里的“显微战争”
金属所科学家借助超级显微镜——散裂中子源中子成像技术，实时捕捉到氢原子在钛合金中的行踪：
• 在α+β双相结构中，氢更偏爱β相，导致其晶格扭曲变形
• 在α相晶粒中发现新型周期性结构，这可能是氢化物变身的“中间态”
• 添加铁、铬等元素时，氢会“策反”这些元素，诱发新型金属相生成
三、材料设计的“反脆弱密码”
研究发现，通过调控合金成分和微观结构，可以建立抵御氢脆的防线：
• 控制β稳定元素（如Fe、Cr）的含量，能改变氢的扩散路径
• 优化热处理工艺，可以阻止有害氢化物的形成
• 新发现的BCC-FCC相变机制为设计自修复材料提供思路
这项突破不仅保障了深海装备的安全性，更为氢能源储存、燃料电池等新兴领域提供了关键材料技术支持。就像为钛合金装备开发了“防氢装甲”，让这种神奇金属能在更严苛的环境中继续守护人类探索深海的梦想。
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