【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”？

2025-03-17 13:41:52 作者：中国科学院金属研究所来源：中国科学院金属研究所分享至：

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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