创纪录！西安交大/上海交大最新Nature！

【科学背景】

铝合金因轻质高强广泛应用于交通与能源领域，但其氢脆敏感性严重限制了其在高压氢环境下的可靠性。传统金属间化合物颗粒（如含Mn、Cr的ICPs）虽能捕获氢，但受限于低固溶度，仅能在凝固过程中形成粗大、低密度（<10¹⁷ m⁻³）的析出相，氢捕获能力不足。另一方面，传统纳米沉淀相（如Al-Cu合金中的θ'相）虽数量密度高（>10²⁰ m⁻³），但因晶体结构简单，氢溶解度低，无法有效抑制氢脆。因此，兼具高氢捕获能力与高数量密度的析出相设计成为关键挑战。

【科学创新】

西安交通大学孙军院士、刘刚教授团队联合上海交通大学材料学院金学军教授和许元涛博士团队、德国马普可再生材料研究所B. Gault教授团队、西安理工王瑞红副教授等国内外相关团队，通过在Al-Mg合金中添加Sc，结合两步热处理，实现了高密度分布的Al₃Sc纳米颗粒和原位形成的核壳结构Al₃(Mg, Sc)₂/Al₃Sc纳米相。这些纳米相具有优异的氢捕获能力。Al₃Sc纳米颗粒（尺寸>10 nm）表面通过异质形核形成Samson结构的Al₃(Mg, Sc)₂相，其尺寸依赖性源于Al₃Sc纳米沉淀相的非共格性，导致镁局部偏析并触发Al₃(Mg, Sc)₂相的形成。Al-Mg-Sc合金的双纳米沉淀相分布使其强度较无Sc合金提高约40%，抗氢脆能力提升近五倍，并在氢含量高达7 ppmw时仍保持创纪录的均匀延伸率。该策略可推广至其他Al-Mg基合金（如Al-Mg-Ti-Zr、Al-Mg-Cu-Sc和Al-Mg-Zn-Sc合金），为高强铝合金的氢耐受性设计提供了新思路，并具备大规模工业化生产的潜力。相关成果以“Structurally complex phase engineering enables hydrogen-tolerant Al alloys”为题，发表在最新一期的Nature上。

【数据概览】

图1 原位相变制备高密度Al₃(Mg, Sc)₂纳米相© 2025 Springer Nature

图2 界面主导的原位相变© 2025 Springer Nature

图3 Samson结构纳米相增强非凡的HE抗性© 2025 Springer Nature

图4 复合金属纳米相具有前所未有的H俘获能力© 2025 Springer Nature

【科学启示】

本研究通过尺寸依赖的相变路径，实现了纳米沉淀相的双重分布：细小的Al₃Sc（<10 nm，数量密度约2.4×10²¹ m⁻³）主要贡献强化，而较大的核壳结构Al₃(Mg, Sc)₂/Al₃Sc（>10 nm，数量密度约5.6×10²¹ m⁻³）负责提升抗氢脆能力。实验表明，纳米沉淀相的最佳尺寸范围为20±10 nm，以确保强化与氢耐受性的协同效应。通过优化Mg含量（4.5~7.5 wt%）和热处理时间（72小时），Al-Mg-Sc合金在7 ppmw氢含量下仍保持10%以上的均匀延伸率，远超同类商用合金。该设计策略可扩展至Al-Mg-Ti-Zr、Al-Mg-Cu-Sc等体系，并为增材制造铝合金的氢耐受性开发提供了新机遇。结合工业级铸造与热机械加工，规模化制备的合金性能接近实验室水平，验证了其工业化应用的可行性。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08879-2

本文由小艺供稿。