随着低碳能源转型加速，氢燃料一度被誉为是21世纪的终极清洁能源。但随着氢能和结构合金材料的发展，氢脆带来的风险也是不可忽视的一环，其中，氢气的引入便会使镍基高温合金面临严重的氢脆风险。传统的氢脆研究多集中于锻造合金，而对于铸造多晶高温合金，其内部复杂的铸态组织与氢的交互作用机制尚不清晰，因此，系统探究多晶高温合金中氢与微观组织的相互作用，对于开发下一代抗氢脆合金至关重要。

近日，中国科学院金属研究所团队将目光投向了合金中常见的第二相——MC碳化物，系统揭示了其在氢脆行为中意想不到的主导作用，为设计新一代抗氢脆镍基高温合金开辟了新路径。目前这一成果在线发表于材料领域的国际期刊《Journal of Materials Science & Technology》上，论文题为“Revisiting the role of carbides in the hydrogen embrittlement of Ni-based polycrystalline superalloy”。中国科学院金属研究所盛乃成研究员、孙士杰副研究员、周亦胄研究员为论文的通讯作者。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2026.05.055

【核心内容】

该研究选取一种典型的镍基铸造多晶高温合金，综合运用二次离子质谱（SIMS）、氢微印技术（HMT）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、电子背散射衍射（EBSD）、纳米压痕测试以及第一性原理计算，从宏观力学性能到原子尺度的氢捕获行为，全面解析了不同微观组织与氢的交互作用及其对氢脆的影响。

氢致裂纹在MC碳化物中萌生与扩展的示意图

【研究成果】

① MC碳化物是氢的“聚集地”

在无碳化物的晶界处几乎没有观察到明显的氢富集，而强烈的氢信号则集中在MC碳化物区域，HMT实验结果清晰揭示了大量的银颗粒（代表氢的还原产物）聚集在MC碳化物/基体界面，少量进入MC碳化物内部，相比之下，晶界和M6C碳化物处的银沉积则非常少。

二次离子质谱（SIMS）分析显示氢在MC碳化物处富集

氢微印技术（HMT）显示氢优先在MC碳化物/基体界面聚集

② 碳空位捕获氢的原子尺度机理

团队构建了FCC-Ni与NaCl型TiC（一种典型MC碳化物）的界面模型。结果表明，无论是位于MC/基体界面还是MC碳化物内部的碳空位（C-Vac）位点，其氢固溶能都远低于其他位置。特别是界面上的C-Vac 1位点，其固溶能为-1.04eV，是所有潜在陷阱位点中能量最低的。这意味着，碳空位是氢最优先的聚集场所，这与HMT的实验观察吻合。

第一性原理计算揭示氢在MC碳化物/基体界面及碳化物内的偏聚位点

③ 氢致裂纹与MC碳化物

断口形貌显示，随着充氢时间增加，合金的断裂模式虽仍为韧-脆混合型，但沿枝晶间断裂的区域增多，而MC碳化物正是分布在枝晶间区域，纵向截面观察发现，充氢后MC碳化物内部出现了大量平行裂纹，且裂纹密度随充氢时间延长而急剧增加。相比之下，M6C碳化物中未见明显裂纹。此外，充氢后MC碳化物/基体界面周围的KAM值升高，这表明，氢通过促进局部塑性变形（HELP机制），在MC碳化物周围积累了极高的应力集中，最终导致了沿(001)面的氢致解理开裂（HEDE机制）。

充氢前后合金的断口形貌及MC碳化物内裂纹特征

EBSD表征显示碳化物/基体界面附近的KAM值变化

TEM和TKD分析显示充氢后碳化物/基体界面位错密度升高

④ 不同微观组织的氢脆敏感性

团队对充氢前后的样品进行大规模压痕测试，并将压痕点精准定位到碳化物、碳化物/基体界面、枝晶干γ'相和枝晶间γ’相等不同微观区域，通过比较充氢前后硬度的变化，计算了各微区的氢脆指数|HEI|，碳化物的|HEI|高达13.88%，碳化物/基体界面更是达到了16.07%，远高于两种γ'相的约10%。

纳米压痕测试结果及不同微区的氢脆敏感性比较

【总结与展望】

团队系统地阐明了MC碳化物在镍基铸造多晶高温合金氢脆中的主导作用，这一发现打破了以往对晶界和M23C6碳化物的过度关注，为未来面向氢能应用的镍基高温合金的成分设计与组织优化提供了全新的理论指导和突破方向，具有重要的科学价值和工程应用前景。