摘要：能源和运输部门脱碳的迫切需要促使在发电和航空应用的燃气轮机中使用含氢燃料，将安全关键部件暴露在高温的氢气环境中。长期以来，环境温度氢脆一直通过氢与界面和位错等微观结构缺陷之间的物理相互作用来解释。在这里，我们表明这种理解并不能完全捕捉高温下的行为，与环境条件相比，氢和特定微观结构成分之间的空位驱动的化学反应可以显着加剧脆化。在典型的面心立方镍基高温合金中，我们的近原子尺度表征和从头计算揭示了碳化物中碳空位中氢原子的强烈捕获，驱动其部分分解，同时触发碳化物-基体界面处的局部甲烷形成。结果，异质界面被削弱，使其容易受到变形引起的损坏。我们的工作为镍基合金高温氢脆的机械建模提供了物理基础，这是一个对氢燃料涡轮机和相关高温技术至关重要的新兴领域。

背景：作为一种多功能能源载体，对氢气（H）的前所未有的需求正在推动其扩展到更广泛的领域，例如氢气燃料燃气轮机和航空发动机。鉴于燃气轮机约占全球发电量的22%（约31,153 TWh year−1），并占全球二氧化碳排放量的约15%（约37,566 Mt year−1），燃气轮机从化石燃料向H基燃料的过渡是缓解全球变暖最有效的策略之一。商用航空的最新发展也表明直接使用氢气作为喷气涡轮机的燃料具有广阔的前景，这项技术需要最高的安全性。构成这些工程设备结构部件的材料越来越多地暴露在极端操作温度和富氢气氛中。这种恶劣的耦合环境条件显着增加了材料降解的风险，对整个部件的寿命和可靠性提出了挑战，从而对未来无二氧化碳能源供应和清洁空中交通的重要支柱提出了质疑。关键挑战在于理解和抵消氢引起的损伤，也称为氢脆，在含氢环境中会导致材料的承载能力突然完全丧失。

当前对于氢加速损伤形核与演化的内在机理的理解，大多建立在溶质氢原子与位错、界面等微观缺陷之间复杂相互作用的基础之上。在近室温条件下，氢原子倾向于偏聚或被各类缺陷（如界面、位错）捕获，改变缺陷性质，进而在载荷作用下诱发损伤（图1a,b）。然而，在高温环境下，热激活会促使氢从捕获位点脱陷，氢的捕获速率随之下降，上述效应会显著被削弱（图1d）。对于碳钢，足够高温下氢能够与基体中的固溶碳原子发生反应，生成伴随甲烷的内部孔洞。但该机理很难在镍基高温合金这类几乎不含固溶碳的合金体系中发生。实际上，以往研究通常认为高温下镍基合金氢脆问题并不突出，尽管少量数据表明特定条件下依然会发生氢脆。但镍基高温合金在高温条件下的氢致损伤内在机理尚不明确，这阻碍了合金材料设计，也难以保障氢燃料燃气轮机与航空构件的结构完整性。

该项研究成果以“Hydrogen-induced damage in Ni-based superalloys at elevated temperatures”为题，在线发表于国际期刊《nature materials》。华东理工大学孙彬涵、张显程，德国马克斯·普朗克可持续材料研究所Dierk Raabe为该论文通讯作者。本研究得到国家自然科学基金（项目编号：U25A20188、52130511、52275147、U2572212）、国家重点研发计划（2023YFB3712103）、山东省重点研发计划（2024CXPT064）以及上海高校高峰学科建设项目的资助。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-026-02680-w?utmsource=xmol&utmmedium=affiliate&utmcontent=meta&utm_campaign=DDCN 1 GLO1 metadata

图1 温度对H相关相互作用和与微观结构成分反应的影响以及由此产生的普遍H脆化机制。

图2 研究材料（IN718合金）的微观结构，常用于燃气轮机或喷气发动机，以及氢气气氛对400°C拉伸性能的影响。

图3 400°C时H引起的损伤行为。

图4

对靠近碳化物-基体界面的区域进行微观结构分析，这些区域在H2暴露和400°C下同时机械加载时受损。

图5 高温下氢空位相互作用的热力学和实验验证。

结论：

总之，我们揭示了镍基含碳化物合金在高温H气氛中的损伤机制，其中H进入金属碳化物的空位促进其结构转变，伴随着加压甲烷释放，最终导致损伤萌生（补充图4）。这种降解途径与报道的较低环境温度下H引起的损伤机制形成对比，在较低环境温度下，由于H与晶界和位错等固有缺陷之间的物理相互作用，失效通常由晶间或解理状断裂控制。虽然这些缺陷在低温下可作为有效的氢陷阱，但它们的捕获能力随着温度的升高而迅速减弱（扩展数据图7c）。相比之下，空位有序碳化物即使在400°C下仍保持其强大的H捕获能力（扩展数据图7c），这强调了当能量浅捕获位点失去有效性时，相互作用和降解机制变得占主导地位。这些发现为镍基高温合金（用于氢燃料能源转换系统和基础设施热部的最重要的一类结构骨干材料）以及其他含碳化物合金（包括钢和金属陶瓷复合材料）的使用性能提供了机械见解。这些见解还可以为预测模型和耐损伤高温材料的未来发展奠定科学基础，这对于指导和装备即将到来的以氢气为燃料的可持续燃气轮机能源、燃烧和空中交通系统至关重要。