一种抗氢脆结构、设计方法、系统及铝合金

本发明涉及多尺度智能计算、智能模型应用及合金制备领域，具体为一种由多尺度腐蚀集成计算确立的铝合金抗氢脆结构、结构的智能设计方法、系统以及含该抗氢脆结构的铝合金，可设计并优化晶内纳米级弥散分布的稳态及亚稳态析出相的耐蚀铝合金。

背景技术：

1、随着航空航天、高速轨道列车、轻量化汽车的不断发展，铝合金在上述产业中的应用愈发广泛。但在材料服役过程中，氢对高强结构材料所造成的危害愈发显著。此外，面对新能源和清洁能源发展的迫切要求，尤其是燃料汽车的发展，氢能产业作为新能源产业中的重要环节得到了迅速发展，供氢、运氢同样迫切需求高耐蚀抗氢脆材料的开发。

2、对铝合金而言，氢原子的存在部位可归结为三类：晶格、位错和空位缺陷。其中晶界对于氢的捕获能力最差，其结合能较低。加工过程及热处理工艺直接影响位错密度，高密度位错有利于氢原子捕获。而具备捕氢能力最强（高氢捕获能）的空位缺陷或析出相受合金元素、加工工艺和热处理工艺的影响，其形成过程最为复杂。因此，在设计高抗氢脆铝合金过程中，最为重要的是设计并制备在铝合金中具有高结合能的空位缺陷及析出相。

3、发掘并制备具有高氢捕获能的析出相结构是抗氢脆设计中最为困难的环节。目前铝合金中常见合金元素有mg、zn、cu、mn、si、li等，微量元素有sc、fe、cr、zr、ti、la、ce、y等。上述元素之间有无穷种析出相组合，例如alfe3、alcr2、al4cu9、alcu、al2cu、al3mg2、al4mn、al3ti、al3zr、al3sc、mgzn2、mg3zn3al2、al6cumg4、al7cu2fe、mn3fe3sial12、mg2si、val3、laal、alfemnsi、alzncumg、laal2、ceal2等众多析出相。相同合金元素间也有不同的元素配比及空间群结构。已有实验表明，铝合金中al3zr相和al2cumg相具备高捕氢能力，而传统7xxx系铝合金析出强化相η-mgzn2并未捕获氢原子。高强7xxx系铝合金常用于航空飞机机翼骨架、高速轨道列车枕梁等高承力部位，其内部氢原子的扩散聚集致使其易发生应力腐蚀开裂等失效事故，危害工程构件的服役安全。

4、传统抗氢脆结构设计是经过对既定合金元素进行正交实验，组合多种成分并进行实验验证。其设计灵感来源于现场人员的经验性判断，往往需要多批次生产试错，造成时间、成本等浪费。此外，正交试验法的实验效率仅对于少量的合金元素较高，对于复杂合金成分（数量>5）的效率极低。面对铝合金中复杂的元素成分和热处理工艺，快速筛选高捕氢结构并将其成功制备将有助于降低氢原子的聚集，从而提升铝合金的抗氢脆性能，最终实现快速设计抗氢脆铝合金的目标，从而极大缩短生产周期及试错成本。

技术实现思路

1、本发明主要针对的问题是传统合金抗氢脆结构设计成本高昂，设计效率低下，部分结构筛选后为亚稳态结构，无法给出实现该结构的明确热处理工艺。主要目的在于提出一种基于多尺度腐蚀集成的铝合金抗氢脆结构智能设计方案。通过选定基本元素，由智能模型推荐潜在的析出相结构，并开展高通量的第一性原理计算，处理数据并构造原子间势函数，从而开展分子动力学结构转变模拟，并快速定制热处理工艺。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种抗氢脆结构设计方法，所述方法包括：

4、s1、选定基本合金元素，确定多种析出相及中间亚稳定的过渡相；

5、s2、将所述的多种析出相及中间亚稳定的过渡相，依据多尺度腐蚀集成计算，确立等效原子位置，并构造掺杂模型，进行基于第一性原理的吉布斯自由能计算；

6、s3、依据析出相的参数确定捕氢性能最优的析出相结构；析出相的参数包括结构形成能、氢捕获能及结构存在可能性；

7、s4、针对最优的析出相结构通过第一性原理计算得到结构参数，利用机器学习方式基于结构参数构建最优的析出相结构对应的原子间势函数；所述结构参数包括各析出相结构的能量、力和应力；

8、s5、基于最优捕氢模型和原子间势函数，开展不同温度下的分子动力学析出相转变模拟，并确定最优的析出相结构的最佳热处理工艺参数。

9、优选地，所述s1中，确定多种析出相的具体方式为：

10、基于数据库检索仅包含选定合金元素的相关结构，形成析出相集合φ，析出相集合φ的筛选方式为：

11、

12、其中，、、代表合金元素，

i、

j、

k代表各元素原子的数量，

ef代表析出相结构的形成能，代表基于原始结构的掺杂模型，表示结构平均形成能；

13、当析出相的形成能低于总体分布的80%时，对析出相进行掺杂，构造对应的过渡相。

14、优选地，所述过渡相的结构中掺杂位置基于等效位置特征矩阵m确定；所述等效位置特征矩阵为：

15、

16、

17、

18、

19、

20、

21、其中，t、r、a依次表示由最近邻至第12近邻原子的原子类型矩阵、距离矩阵、角度矩阵，

ri(k)、

θi(k)依次表示原子i与原子k的原子间距、x轴角度项，原子k是原子i的最近邻至第12近邻原子。

22、优选地，所述s2中，等效原子位置的确定方式为：

23、s21、计算最大允许半径

rh：

24、

25、其中，x表示间隙位置坐标，pi表示间隙位置与近邻原子的三维原子坐标，

rmax表示近邻原子中原子半径的最大值；

26、s22、当

rh大于等于半径阈值时，对应位置确定为等效原子位置。

27、优选地，所述s3中，最优的析出相结构的确定方式为：

28、基于掺杂模型计算析出相结构的形成能

ef和氢捕获能

µh；

29、基于形成能

ef和氢捕获能

µh计算结构存在可能性p；

30、选取p值最小的结构作为最优的析出相结构。

31、优选地，形成能

ef和氢捕获能

µh的计算方式为：

32、

33、

34、其中，

e为析出相第一性原理计算所得的总能量，为组成析出相的单一原子能量，

n为体系总原子数；和是含氢及未含氢时的析出相第一性原理计算能量。

35、优选地，结构存在可能性p的计算方式为：

36、。

37、优选地，所述s4中，原子间势函数的构建方式为：

38、s41、基于最优的析出相结构的结构参数构建原子间势函数的总体表达式：

39、

40、式中，f是含有角度特征a、距离特征r多个基向量的集合，n表示体系总原子数，表示第i个原子的原子数；

41、s42、计算并确定等效位置特征矩阵m；

42、s43、调整模型中结构参数的权重，计算构型的重复度，以重复度最高的构型确定为最终的原子间势函数。

43、优选地，重复度以特征矩阵k方式表示：

44、

45、其中，

n是原子总数、

v是结构体积、t是元素类型、

s是空间矩阵、m是构型各原子的等效特征矩阵，f表示特征矩阵函数。

46、优选地，所述s5中，析出相转变模拟指基于分子动力学的蒙特卡洛模拟，模拟过程中计算局域偏析离子浓度和径向分布函数

g(r)，以确定析出相是否已经由基体中偏析形成；

47、局域偏析离子浓度的计算方式为：

48、

49、其中，是局域体积，ρ是元素密度，r是阶段半径，是体系中元素总数n与总体积v的比值。

50、优选地，径向分布函数

g(r)的计算方式为：

51、

52、其中，α是中心原子元素类型，β是近邻原子元素类型，r是原子距离，t是模拟时间，表示平滑函数，σ表示平滑宽度，rij表示原子i和原子j的距离，是模拟t时间时富集区域的α类原子的集合，表示在local范围内α原子的总数，表示在local范围内β原子的数密度，local范围指中心原子r半径内的范围。

53、第二方面，本发明提供了一种抗氢脆结构设计系统，该系统用以执行如上所述的抗氢脆结构设计方法，该系统包括：

54、推荐模块，基于选定的基本合金元素，确定多种析出相及中间亚稳定的过渡相；

55、等效原子位置计算模块，将所述的多种析出相及中间亚稳定的过渡相，依据多尺度腐蚀集成计算，确立等效原子位置，并构造掺杂模型，进行基于第一性原理的吉布斯自由能计算；

56、析出相筛选模块，依据析出相的参数确定捕氢性能最优的析出相结构；析出相的参数包括结构形成能、氢捕获能及结构存在可能性；

57、势函数计算模块，针对最优的析出相结构通过第一性原理计算得到结构参数，利用机器学习方式基于结构参数构建最优的析出相结构对应的原子间势函数；所述结构参数包括各析出相结构的能量、力和应力；

58、热处理工艺推定模块，基于最优捕氢模型和原子间势函数，开展不同温度下的分子动力学析出相转变模拟，并确定最优的析出相结构的最佳热处理工艺参数。

59、优选地，该系统还可以包括数据库，该数据库中至少存储有可能的析出相的结构数据等。

60、第三方面，本发明还提供了一种抗氢脆结构，其特征在于，所述抗氢脆结构由如上所述的抗氢脆结构设计方法设计而成；

61、所述抗氢脆结构形成在合金内部，具备强捕氢能力的稳态或亚稳态结构，其尺寸为50-180 nm，内部有特定元素cu。

62、第四方面，本发明还提供了一种铝合金，按重量百分比计，所述铝合金的成分为：cu 0.5-2.0 wt.%、sc 0.05-0.5 wt.%，余量为al和不可避免的杂质；

63、所述铝合金具备如上所述的抗氢脆结构。

64、优选地，所述cu与sc元素含量比小于2.5。

65、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

66、本方案通过多尺度腐蚀集成计算推荐确定合金体系内的所有及潜在捕氢析出相结构，快速构建高通量计算模型和等效氢掺杂模型，明确了该捕氢结构在铝合金中的结构类型及弥散分布状态，并能够快速确立热处理工艺。对于传统设计中无法明确的过渡相（亚稳态的中间相）的热力学状态，针对其热处理工艺的技术窗口窄问题，过分固溶处理或时效处理均致使晶内析出相转向为稳态结构，最终失去对铝合金中氢原子的捕获效应。本方案实施计算确定的合金热处理工艺，能够优化制造新型晶内弥散分布的纳米级析出相（含亚稳态结构），从而实现了对铝合金中的氢原子强捕获。本方案可以显著提升抗氢脆结构设计效率，明显优化铝合金的抗氢脆性能，最终调控并制备出在腐蚀环境下的延展性优良的高强铝合金，为耐蚀高强铝合金的制备提供了新的解决方案。