高強度鋁合金被用於飛機、新幹線、火箭等領域，但氫的脆化作用（氫脆化）會導導致鋁合金的強度和延展性降低，使得鋁合金會變得容易損壞，並且長期使用會產生應力腐蝕裂紋。
九州大學研究生院工學研究院主幹教授戶田裕之
以傳統高強度鋁（LT材料）和含有T奈米粒子的鋁（HT材料）爲物件，採用電子顯微鏡（a-e）和三維原子探針法（g-i）進行的原子級別觀察結果。f爲原子級別類比的模式和計算結果（可擷取到氫的位點分佈和擷取能量）綜合圖示。（供圖：九州大學）
九州大學研究生院工學研究院主幹教授戶田裕之、特任助教王亞飛、岩手大學助教清水一行等人進行了原子級別的類比，發現此前未在實際應用中使用過的奈米粒子（T奈米粒子）能蠻力且大量地將氫吸藏於内部。將目前用於鋁強化的η奈米粒子部分置換爲T奈米粒子，可防止氫脆化等現象。戶田教授表示：「此前在實際應用層面完全沒有注意到T奈米粒子。只要稍微提高鋁生產工藝的時效處理溫度，就可以用T奈米粒子置換約一半的η奈米粒子，所以在產業層面便於靈活運用。」相關研究已刊登在《Nature Communications》上。
在鋁的生產階段加入鎂和鋅，使MgZn2奈米粒子（η奈米粒子）高密度分散，由於奈米粒子阻礙材料的變形，從而提高了鋁的強度。該方法在二次大戰前就已經爲人所知，但鋅如果加入過多，儘管會增加鋁的強度，卻也會引發氫脆化和應力腐蝕裂紋，成爲無法實際使用的材料。
此外，從鋁中除去氫較難，它還會從含油氣中吸收氫。因此1960年代以後，鋁的強度一直沒有顯著提高。
研究團隊在3年前闡明瞭鋁的氫脆化機制。即η奈米粒子吸附氫，η奈米粒子和鋁的界面上氫原子增加，界面的結合強度下降，產生損壞。
另一方面，T奈米粒子（Al2Mg3Zn3）的存在雖然早已爲人所知，但被認爲在實際應用上無用，所以一直只是學術研究的物件。
此次，研究團隊在九州大學超級計算機ITO的類比中發現，T奈米粒子能吸附大量氫。氫只會在圓筒形η奈米粒子的邊緣劇增，而球狀的T奈米粒子可在内部吸附氫，貯氫量是η奈米粒子的數百倍。
對此，研究團隊使用原子類比和SPring-8的光束線來研究了T奈米粒子的效果。使用氫含量爲平常100倍的鋁，以僅有η奈米粒子的材料、η奈米粒子和T奈米粒子比例爲5∶5的材料，在高溼度環境中進行強度試驗，觀察氫脆化的程序。結果表明，有T奈米粒子的情況下，延伸率增加38%，且氫脆化的發生與僅有η奈米粒子的材料相比減量了60%，而強度爲同等。另外，氫脆化引起的龜裂進展在有T奈米粒子的情況下會受到蠻力抑制。
研究團隊在含有T奈米粒子的材料中，進一步研究了可能存在氫的各個細結構和氫的位點，發現氫集中在T奈米粒子上（氫濃度爲η奈米粒子的10倍以上），從而抑制了氫脆化。戶田教授表示:「η奈米粒子的氫含量約爲千分之一。另外我們還發現，此次實驗中T奈米粒子吸收的氫僅爲其潛在貯氫量的千分之一左右，還可以繼續操作吸藏氫。」
實際製造程序中只需稍微改變一下鋁的生產條件，就能把η奈米粒子轉換爲T奈米粒子。以此次的50% T奈米粒子爲例，只需將鋁的5個加工與加熱工序中的最後一個——時效處理的溫度從120℃提高到150℃，就能將一半的η奈米粒子置換爲T奈米粒子。
研究團隊試製了各種各樣的鋁材料，結果發現，如果要生成更多的T奈米粒子，可以稍微提高鎂的濃度，或者少量添加銅等物質。如今的鋁生產工序中也會添加鎂和銅，因此這種不受氫影響的新型高強度鋁或許很快就能應用於工業製造中。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Nature Communications
論文：Switching nanoprecipitates to resist hydrogen embrittlement in high-strength aluminum alloys
DOI：10.1038/s41467-022-34628-4
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