Nature Materials：打破认知！镍基高温合金在400°C氢环境中竟更易受损

氢不只是“室温杀手”，高温下与碳化物的“化学反应”才是隐藏的致命威胁

随着全球对氢能需求的激增，氢燃料燃气轮机和航空发动机成为实现碳中和的关键技术。然而，这意味着发动机热端部件——如涡轮盘和叶片——将直接暴露于高温高压的氢环境中。长期以来，材料学界普遍认为，氢脆（即氢导致材料塑性丧失和突然断裂）主要是一个低温问题。随着温度升高，氢原子热运动加剧，会从晶界、位错等陷阱中脱附，氢脆风险理应降低。

事实真的如此吗？

近日，由德国马普所Dierk Raabe教授、华东理工大学张显程教授和孙彬涵教授等团队发表于Nature Materials的研究Hydrogen-induced damage in Ni-based superalloys at elevated temperatures，彻底颠覆了这一传统认知。他们发现，在400°C这一燃气轮机典型工作温度下，广泛使用的镍基高温合金IN718会遭受比室温更严重的氢致损伤。其背后机制，竟源于氢与合金中碳化物的一场“空位驱动的化学反应”。

01 高温氢脆：一个被忽视的“灰色地带”

研究团队使用自主搭建的高温高压原位拉伸装置，在2 MPa氢气或氩气（作为对照）气氛下，对IN718合金进行了25°C至600°C的拉伸测试。

结果令人惊讶：在400°C下，氢导致合金的总延伸率下降了14.9%，断面收缩率下降了18.8%——这一塑性损失几乎是室温（8.9%）的两倍。当进一步降低应变速率或对试样进行预充氢以增加氢摄入时，延伸率损失甚至高达29.4%（Extended Data Fig. 3）。

断口分析揭示了关键线索：室温下，氢损伤主要表现为沿晶断裂和δ相界面开裂，符合经典的“氢降低界面结合力”机制。但在400°C下，断裂模式转变为韧窝内大量MC型碳化物（富Nb、Ti）开裂及其与基体的界面脱粘。统计表明，仅400°C氢气氛暴露0.5小时（无外载），碳化物-基体界面脱粘的比例就激增了近5倍（图3b）。这意味着，氢在高温下对碳化物“动了手脚”。

02 空位：氢进入碳化物的“特洛伊木马”

氢是如何在高温下破坏碳化物的？原子尺度的表征给出了答案（图4）。

透射电镜分析显示，在400°C氢环境下，碳化物内部出现了新的超晶格斑点，标志其从初始的FCC（B1）结构转变为具有有序空位的M₆C₅型或M₂C型碳化物。更直接的证据来自原子探针断层扫描（APT）：在开裂的碳化物-基体界面附近，氢浓度急剧升高，靠近界面处高达~13 at.%，远超基体（~2 at.%）和碳化物内部（~4 at.%）（图4f-g）。

关键在于，这类MC碳化物本身并非完美晶体，其C亚晶格上存在大量结构空位。密度泛函理论（DFT）计算表明，在完美的NbC或TiC中，氢溶解是能量不利的（结合能为正）；但一旦引入C空位，氢的结合能立刻变为显著的负值（-0.17 eV至-1.00 eV），表明氢被强烈吸引并稳定捕获。

03 连锁反应：甲烷气泡引爆界面

氢填充碳空位只是灾难的序幕。进一步的热力学计算揭示了后续的化学反应（图5c-d）：

在400°C和2 MPa氢压下，该反应生成甲烷（CH₄）的吉布斯自由能变化ΔG为负值，表明反应可自发进行。计算得出的平衡甲烷分压高达~0.4 GPa——如此高压的气体在碳化物-基体界面处聚集，无异于无数个“微型高压气瓶”，直接驱动了界面开裂，即使无外加载荷也能造成损伤（图3c）。

这与经典的“高温氢蚀”（主要发生在碳钢中，与基体中的碳反应）不同，本研究揭示的是碳化物自身空位介导的直接化学分解，在镍基合金中属首次发现。

04 普遍性验证与工程启示

研究团队进一步在另一种含更多（Ta, Hf）C碳化物的定向凝固镍基高温合金CM247LC上验证了该机制，同样观察到碳化物转变和界面脱粘，且因碳化物含量更高（1.7 Vol%），氢致塑性损失更为严重（达63.8%）。这表明该机制具有普遍性。

这项工作深刻地改变了我们对高温氢脆的理解：在400°C左右，氢的陷阱作用减弱，但与碳空位的结合及随后的化学反应成为主导。这意味着，对于任何含非化学计量比碳化物（结构空位是其本征特征）的合金体系，在中等温度范围的氢环境服役都必须高度警惕。

这一发现为氢燃料涡轮发动机的材料选择、寿命预测和抗氢损伤设计提供了关键的物理基础。 或许，未来我们需要重新审视那些被认为“安全”的高温合金，并开发针对碳化物的“抗氢”微合金化策略。

原文：Shuai Kong, Xizhen Dong, Zheng Zhong, et al. Hydrogen-induced damage in Ni-based superalloys at elevated temperatures. Nature Materials, 2026.

Fig. 1: The influence of temperature on H-associated interactions and reactions with microstructural constituents and the resulting prevalent H-embrittlement mechanisms.

Fig. 2: Microstructure of the studied material (IN718 alloy), commonly used in gas turbines or jet engines, and the influence of H₂ atmosphere on the tensile properties at 400 °C.

Fig. 3: H-induced damage behaviour at 400 °C.

Fig. 4: Microstructure analysis of regions close to carbide–matrix interfaces that are damaged upon H2 exposure and simultaneous mechanical loading at 400 °C.

Fig. 5: Thermodynamics and experimental validation of H-vacancy interactions at elevated temperatures.

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孙彬涵，华东理工大学机械与动力工程学院教授、德国洪堡学者，国家高层次青年人才项目与上海市海外高层次人才引进计划获得者。兼任德国马克斯普朗克可持续材料研究所客座教授、氢致断裂研究组客座组长（External Group Leader）、化学品安全全国重点实验室管理办公室副主任、中国机械工程学会材料分会委员、《机械工程材料》杂志“材料氢致损伤行为与抗氢损伤调控方法”专题主编等职。

孙彬涵教授研究围绕氢能装备安全，致力于揭示临氢环境下材料损伤规律，实现金属结构材料与部件的抗损伤制造，相关研究在Nature、Science、Nature Materials、Nature Communications、PNAS、Science Advances、Acta Mater.等期刊发表论文80余篇，成果获欧盟科学委员会与10余家国际媒体重点专题报道。申请/授权发明专利20余项，部分成果在汽车、两机领域获得应用。受邀在国际会议上作大会/主旨/特邀报告30余次。