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针对铝合金氢脆(HE)难题，西安交通大学团队通过Sc微合金化与两步热处理，在Al-Mg合金中构建了高密度Al3Sc纳米沉淀相与原位形成的核壳结构Al3(Mg,Sc)2/Al3Sc纳米相。该设计使合金强度提升40%，氢脆抗性提高5倍，在7 ppmw氢含量下仍保持10%均匀延伸率，为氢经济时代高性能铝合金开发提供新范式。
铝合金作为轻量化材料在交通、航空航天等领域具有重要应用，但其氢脆敏感性长期制约着在氢能环境中的使用。传统铝合金中，粗大的金属间化合物(ICP)虽能捕获氢但密度不足，而高密度纳米沉淀相又缺乏有效氢捕获能力，形成强度与氢脆抗性的矛盾。更棘手的是，具有高氢捕获潜力的β-Samson相(Al3Mg2)通常沿晶界不均匀析出，导致材料性能恶化。如何通过微观结构设计同时实现高强度和高氢耐受性，成为铝合金领域亟待突破的科学难题。
西安交通大学的研究团队在《Nature》发表的研究中，创新性地提出"尺寸筛选复杂沉淀"策略，在Al-Mg-Sc合金中实现了高密度双相纳米沉淀的协同分布。研究发现，通过精确控制热处理工艺，可诱导10 nm以上的Al3Sc沉淀相表面异相成核形成核壳结构Al3(Mg,Sc)2/Al3Sc纳米相。这种独特设计使合金在7 ppmw氢环境下仍保持10%以上的均匀延伸率，同时屈服强度提升80%，突破了传统铝合金强度与氢脆抗性的此消彼长关系。
研究团队采用多尺度表征技术体系：通过原子探针断层扫描(APT)定量分析纳米相元素分布；利用球差校正高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)解析核壳结构原子排列；结合同步辐射X射线衍射鉴定β/β'-Al3Mg2相结构；采用密度泛函理论(DFT)计算氢捕获能；通过热脱附光谱(TDS)和飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)验证氢捕获行为。所有合金样品均通过双辊铸造法制备，确保工业可扩展性。
高密度CMP纳米沉淀相
对比Sc-free的Al-Mg合金，添加0.3 wt% Sc的合金经400°C/4h+250°C/72h热处理后，晶内形成8.0×1021 m-3高密度Al3Sc沉淀相。APT和HAADF-STEM显示，尺寸>10 nm的Al3Sc沉淀表面出现Mg富集层，其晶体结构与β-Samson相吻合。同步辐射证实该壳层为Sc部分取代的Al3(Mg,Sc)2相，Sc占据Mg位可降低系统自由能。
原位相变机制
研究发现Al3(Mg,Sc)2相形成具有尺寸依赖性：<10 nm的相干Al3Sc相不形成壳层，而>10 nm的非相干相通过界面位错促进Mg偏聚。DFT计算表明，Sc-Mg协同作用触发相变级联：Al3Sc→L12-β"-Al3(Mg,Sc)→β'-Al3(Mg,Sc)2。最优壳层厚度出现在20±10 nm沉淀相，此时k值(壳层厚度/沉淀直径)达0.3。
提升的氢耐受性与强度
力学测试显示，Al-Mg-Sc-II合金在7 ppmw氢充电后仅损失9%延伸率，远优于Sc-free合金(43.6%)和商用5xxx系合金(>40%)。定义的H15% loss参数显示其氢耐受性突破已知Al-Mg合金趋势。强度方面，细Al3Sc相(<10 nm, 2.4×1021 m-3)贡献强化，而大核壳相(>10 nm, 5.6×1021 m-3)抵抗氢脆。
Samson相的高氢捕获能力
APT显示Al3(Mg,Sc)2壳层氢浓度达18 at%，是核心相的3.6倍。DFT计算揭示β-Al3Mg2相最大氢结合能达1.12 eV，β'相约0.85 eV，远超已知铝合金氢陷阱。Sc取代Mg位可进一步提升捕获能。TDS和TOF-SIMS证实该相具有创纪录的氢捕获能力。
该研究通过"尺寸筛选"策略实现了纳米沉淀相功能的精准分工，细Al3Sc相负责强化，大核壳相专司氢捕获。这种设计在4.5-7.5 wt% Mg范围内普适，并成功拓展至Al-Mg-Ti-Zr、Al-Mg-Cu-Sc等体系。水冷铜模铸造的中试样品保持相近性能，证明该策略具备工业化潜力。研究不仅为解决铝合金氢脆难题提供新思路，其"结构复杂相工程"方法论对开发其他氢环境用结构材料具有重要启示意义。
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