温度对氢陷获、氢相关化学反应及其主导损伤机制

研究以典型IN718镍基高温合金为对象。热处理后的组织主要由面心立方γ基体、γ′和γ″强化相、δ相以及富铌、钛的MC型碳化物组成。表征发现，MC碳化物中存在一定数量的碳空位，这些空位可能成为高温条件下氢的强陷获位置。

作者利用高温高压氢环境原位拉伸试验，对比了材料在氢气和氩气中的力学性能。结果表明，材料在约400 ℃氢环境中出现明显延性损失，且降低应变速率或进行预充氢后，损伤进一步加重。断口和截面分析显示，较低温度下的损伤主要与δ相开裂及δ相—基体界面分离有关，而在400 ℃时，主要损伤转变为MC碳化物开裂和碳化物—基体界面脱粘。其中，氢对界面脱粘的促进作用尤为显著，甚至在无外载条件下，仅通过高温充氢也可诱发局部界面开裂。

透射电子显微镜和原子探针结果表明，碳化物内部基本保持原始结构，而靠近损伤界面的区域形成了碳含量较低、碳空位有序排列的新型碳化物。同时，氢在碳化物一侧的界面邻近区域明显富集。第一性原理计算进一步证明，完整碳化物不易吸收氢，但碳空位能够显著稳定氢原子，并促进MC碳化物向M₆C₅或M₂C型缺碳结构转变，同时生成甲烷。甲烷在碳化物—基体界面聚集后会削弱界面结合，并在局部形成内压力，最终诱发界面脱粘和裂纹萌生。研究还发现，不同碳化物转变形式与氢扩散距离、局部浓度及作用时间有关。更高温度下，该反应的热力学驱动力减弱，因此材料在600 ℃氢环境中的额外性能下降并不明显。