近日，我校机械与动力工程学院与德国马普可持续材料研究所（MPI-SusMat）合作，在极端服役金属材料抗损伤制造方面取得重要进展，相关成果以“In-situ nano-reprecipitation enables superior cryogenic mechanical properties in a 3D printable medium-entropy alloy” 和“Protection of metal interfaces against hydrogen-assisted cracking” 为题，连续发表于《自然·通讯》。
极端低温和氢环境是航空航天、能源装备、载人登月等重大工程领域中不可避免的服役工况，但是，这类环境导致金属结构材料易发生脆断等失效行为，严重威胁关键构件的服役安全与可靠性。如何在材料设计层面揭示极端环境下的损伤机制，并发展具有工程可行性的抗损伤制造策略，是当前材料科学与工程领域面临的重要科学问题。针对增材制造金属材料低温服役性能不足的问题，研究团队充分利用增材制造过程中高能量输入与循环热历史的特点，发现并利用了一种纳米颗粒“先溶解—原位再沉淀”的独特冶金机制。通过对基体粉末进行纳米TiC修饰，实现了Ti/C原子团簇的局域调制，从动力学上促进大量共格纳米析出相的形成。高硬度、高强度的纳米析出相能够引导低温变形缺陷更均匀分布，有效抑制3D 打印合金在液氮温区常见的沿晶开裂行为，使合金在极低温条件下同时获得超高强度与优异断裂韧性。该工作通过尺寸依赖的复合粉末设计与激光循环热响应的协同利用，实现了高熔点、高刚度第二相的原位引入与原子团簇空间的精细调控，为增材制造低温高强韧材料的设计提供了普适性方法。陆体文讲师和陈曦宇博士研究生为论文共同一作，张显程教授、孙彬涵教授和Dierk Raabe教授为论文共同通讯作者，并得到了涂善东院士的悉心指导。研究工作得到了科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金项目等资金的支持。
与此同时，针对氢能应用背景下的金属材料氢脆问题，研究团队提出了一种全新的“界面拒氢”抗损伤设计思路。研究发现，在晶界等关键界面处引入硼和碳等间隙溶质元素，可以显著提高界面结合强度，并对氢原子产生排斥作用，从热力学上抑制氢在界面处的偏聚。基于这一发现，研究者在高氢脆敏感性的高强马氏体钢中，通过合金化设计与低温回火工艺，实现了硼在原奥氏体晶界、碳在马氏体界面的定向富集，从而对最易发生氢致失效的界面进行精准防护。实验结果表明，该策略可显著降低材料的氢吸收量，并有效抑制氢致裂纹的萌生与扩展，为氢能装备材料的设计与制造提供了新的设计思路。华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室孙彬涵教授为论文通讯作者之一，张傲晨博士研究生参与该研究工作。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-67279-2
https://www.nature.com/articles/s41467-025-67310-6
