本研究面向氢能利用与工程结构安全中普遍存在的氢脆失效难题，针对传统铝合金中缺乏可设计、可调控的强氢俘获相这一核心科学与技术瓶颈展开，解决了难以快速识别并稳定获得高效氢俘获析出相的重大挑战。通过构建DFT—量子机器学习原子势—MC/MD—实验验证相结合的跨尺度计算设计框架，突破了仅依赖热力学稳定相进行抗氢脆设计的传统思路，首次系统揭示并实验证实了 Cu 掺杂 Al₃Sc 亚稳析出相具有显著优于常规析出相的强氢俘获能力，并明确了其在抑制氢在位错、界面和晶界处富集、降低氢脆敏感性中的关键作用。该研究不仅在科学上深化了析出相化学调控—氢俘获—氢脆抑制之间的内在机制认识，也在方法论上为抗氢脆材料的定向设计、亚稳相功能化利用及跨尺度计算指导实验提供了可推广的新范式，对氢能相关结构材料和极端服役环境下金属材料的设计具有重要推动作用和深远影响。

图1：强氢俘获析出相识别与设计的跨尺度计算—实验协同策略示意图

图1展示了当前抗氢脆材料研究的背景与本文提出的整体研究策略。图1a 展示了目前在钢铁和铝合金中已报道的主要氢俘获相类型，包括碳化物、金属间化合物及部分复杂析出相，其中红色星标强调了仅在苛刻形成条件下才能获得、但具有较强氢俘获能力的相，反映出现有可选相空间有限的问题。图1b 系统展示了本文提出的研究路线，即通过第一性原理计算、量子机器学习原子势、分子动力学与蒙特卡洛模拟相结合，对潜在析出相的氢俘获热力学与动力学特性进行筛选，并进一步通过实验手段（APT、TDS、力学测试）进行验证，从而实现对强氢俘获析出相的定向识别与工艺调控。

图2：Cu 掺杂 Al₃Sc 析出相氢俘获能力的第一性原理计算结果

图2展示了基于 DFT 计算对 Al₃₋ₓCuₓSc 析出相氢俘获能力的系统评估。图2a 给出了不同 Cu 掺杂比例下 Al₃₋ₓCuₓSc 的形成能，结果表明随着 Cu 含量增加，相稳定性逐渐降低，Cu 掺杂相呈现明显的亚稳特征。图2b、2c 分别展示了氢在析出相空位位点和间隙位点的溶解自由能变化，结果表明 Cu 掺杂显著降低了氢的结合自由能，增强了氢俘获能力。图2d 给出了氢与周围原子的电荷密度差分图，揭示氢与 Cu 原子之间存在明显的电子相互作用。图2e 通过 -ICOHP 分析量化了 H–Cu、H–Al、H–Sc 键强度，表明 H–Cu 键最强。图2f、2g 分别展示了氢在析出相界面的俘获热力学与扩散能垒，表明 Cu 掺杂不仅增强氢俘获能力，同时降低氢向析出相内部扩散的能垒。

图3：Al–Sc–Cu 量子机器学习原子势的构建与验证

图3展示了用于模拟析出行为的 Al–Sc–Cu 机器学习原子势（MLIP）的训练与验证过程。图3a 展示了主动学习过程中能量误差随迭代次数的变化，表明引入高温与变形构型后势函数精度显著提升。图3b 对比了不同训练数据集下 MLIP 与 DFT 计算得到的界面能差异，验证了所选势函数在界面性质预测上的可靠性。图3c 展示了 MLIP 与 DFT 在能量和力预测方面的一致性，表明该势函数已达到接近量子精度，可用于相变和析出演化模拟。

图4：溶解—时效热处理过程中 Al₃₋ₓCuₓSc 析出相的形成与演化模拟

图4展示了基于 MC/MD 模拟的 Al–Sc–Cu 合金热处理过程中的析出行为。图4a–c 分别展示了不同固溶温度下 Cu 含析出团簇比例、团簇数量及其统计变化，揭示固溶温度对 Cu 掺杂概率的影响。图4d 给出了析出相在时效过程中的形貌演化，显示 Cu 掺杂 Al₃Sc 析出相的形核与长大过程。图4e 展示了体系总能量随时效时间变化，用以表征相变过程中的潜热释放。图4f、4g 分析了不同时效温度下的相变能与 Cu 含析出相比例，表明低温时效更有利于形成高密度、小尺寸的 Cu 掺杂析出相。

图5：Cu 掺杂 Al₃Sc 析出相的实验表征与抗氢脆性能验证

图5展示了实验层面对计算预测结果的系统验证。图5a 给出了不同热处理样品在氢充入条件下的延伸率损失，表明最优工艺下材料的氢脆敏感性显著降低。图5b 展示了 Al₃Sc 析出相在基体中的分布及其衍射特征。图5c–e 通过 HAADF-STEM 与 EDS 映射直接观察到 Cu 在 Al₃Sc 析出相内部的富集。图5f 展示了 Cu 掺杂前后析出相晶格参数的变化。图5g 通过 APT 揭示了 H 在 Sc–Cu 富集区域的空间分布特征。图5h 给出了 TDS 曲线，区分了不同氢俘获位点，对应验证了 Cu 掺杂析出相的强氢俘获能力。

图6：Cu 分布、界面调控及其对氢俘获机制的影响

图6进一步探讨了 Cu 在微结构中的分布行为及其对氢俘获的影响。图6a 展示了 Cu 在晶界、析出相内部及析出相/基体界面的偏聚自由能分布，结果表明 Cu 更倾向于富集于 Al₃Sc 析出相内部及其界面区域，而非随机分布于基体中，说明析出相在热处理过程中起到了“Cu 富集载体”的作用。图6b 定量比较了不同 Cu 覆盖度下析出相界面对氢的俘获自由能变化，随着界面处 Cu 含量增加，氢的结合自由能显著降低，表明 Cu 富集界面形成了高效、稳定的强氢俘获位点。图6c 基于分子动力学模拟展示了在外加载荷作用下，位错与析出相相互作用过程中氢的输运路径。图6d、6e 通过高分辨实验表征进一步验证了 Cu 在析出相界面的非均匀分布特征及其与基体的取向关系，表明该界面结构在实际材料中是稳定存在的，而非计算假设。

本研究通过跨尺度计算设计与实验验证相结合的策略，系统揭示了Cu 掺杂 Al₃Sc 亚稳析出相在铝合金中的强氢俘获机理及其对抑制氢脆失效的关键作用。结果表明，通过精准调控析出相成分、结构与热处理路径，可显著降低氢在位错、界面及晶界等关键区域的富集，从而有效提升材料在含氢环境下的力学可靠性。该工作不仅突破了传统依赖热力学稳定相进行抗氢脆设计的局限，也验证了亚稳相功能化设计在工程材料中的可行性与优越性。展望未来，结合机器学习原子势函数与多尺度模拟方法，有望进一步拓展至其他铝合金及钢、镍基合金体系，实现面向服役环境的抗氢脆材料定向设计，为氢能与极端环境结构材料的长期安全服役提供重要理论依据与技术支撑。