钛合金因其高比强度、优异的耐腐蚀性和疲劳性能，被广泛应用于航空航天发动机叶片、机匣等关键承力部件。然而，氢脆一直是威胁其服役安全的重要隐患，氢原子进入材料后可能形成脆性氢化物，导致灾难性失效。传统上，针对疲劳和腐蚀，人们通常追求光滑、无缺陷的表面。大部分关于钛合金氢脆的研究也聚焦于氢进入材料后的行为，对氢进入的“大门”——材料表面状态的影响关注相对较少。

近日，《Acta Materialia》上发表了一篇题为“Roughening improves hydrogen embrittlement resistance of Ti-6Al-4V”的论文（https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117304）。发现对于广泛应用的Ti-6Al-4V钛合金，简单的表面粗糙化处理（如切割、研磨）可使其在水溶液电化学充氢环境下的氢脆（HE）抗力显著提升，甚至优于高度抛光的表面。通常被认为会损害性能的“粗糙”或“加工”表面，出人意料地成为抵抗氢致脆化的有效屏障，这一发现为在氢环境下服役的钛合金部件表面工程设计提供了全新思路。该论文以麻省理工学院的C.Cem Tasan教授为通讯作者。

【核心内容】

研究团队对Ti-6Al-4V合金试样进行了四种不同的表面处理：线切割（S1）、研磨（S2）、粗抛光（S3）和精抛光（S4），然后在相同条件下进行电化学充氢并测试其拉伸性能，结果显示，粗糙的S1和S2试样保持了与未充氢试样相近的高延性，而光滑的S3和S4试样则发生了严重的脆性断裂，随后团队综合利用了氢气泡原位观测、热脱附谱（TDS）和飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）等先进表征手段揭示其背后的机理。

图形摘要

【研究成果】

① 粗糙表面有效抑制氢脆

充氢后，粗糙的S1和S2试样断裂应变高达17%，与未充氢材料相当，而抛光的S3和S4试样断裂应变急剧下降至~2%，表现为典型的脆性断裂，氢化物相广泛存在于抛光试样的α相内部及α/β相界，而在粗糙试样中则未见氢化物形成，这直接证明粗糙化处理有效阻止了氢的大规模进入，从而避免了由氢化物导致的脆性断裂。

Ti-6Al-4V的初始微观结构及其在不同表面处理与氢充电后的宏观力学性能对比

氢充电后不同表面处理试样的横截面微观结构：（a）S1；（c）S2；（e）S3；（g）S4

② 粗糙度是控制氢进入的关键

线切割（S1）和研磨（S2）表面具有显著的峰谷起伏，而抛光表面（S3，S4）则非常平坦，这种形貌差异直接影响了电化学反应，在相同充氢条件下，S2表面，高达80-90%的电化学还原氢原子在表面复合为H₂气泡逸出，仅有少量进入材料；而在S4表面，超过98%的还原氢原子进入了材料内部。

不同表面处理试样的表面形貌、粗糙度及高度分布定量分析

原位观察与定量比较S2与S4表面的氢复合（H₂气泡生成）过程

③ 亚表层的捕氢陷阱

表面处理能够在材料的亚表层引入高密度的晶体缺陷。S1表面观测到了约5μm厚的“白层”和其下的变形层，而S2表面下方则形成了高密度的位错和变形孪晶，这些缺陷降低了氢在近表面的有效扩散系数，将氢阻隔在亚表层区域，该区域氢浓度升高以后，又能够减少氢从溶液进入金属的浓度梯度驱动力。

S1试样亚表层由电火花加工形成的“白层”（重铸层）分析

S2与S4试样氢充电前的亚表层变形状态对比

基于TDS的S2与S4试样氢吸收量对比

④ 从表面到体内的阻隔效应

S2试样的近表面区域（约2μm），其在充氢后的氢离子信号强度要高于S4试样，但在更深的区域，S2的氢信号反而更低，这证明粗糙表面促进了氢复合。同时，亚表层的高缺陷密度将大量氢“锁”在近表面区域，有效阻碍了氢向材料更深处的扩散。

基于飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）的S2与S4试样近表面氢分布对比

基于偏度（Sk）和峰度（K）参数的不同表面轮廓特征示意图总结

【总结与展望】

这项研究系统揭示了表面粗糙化提升Ti-6Al-4V抗氢脆能力的多尺度协同机制，这项发现强调了在氢脆实验中对试样表面状态进行严格标准化控制的必要性，为航空航天、能源化工等领域面临的氢脆挑战提供了新颖的解决方案。