2026年1月，《自然·通讯》(Nature Communications)正式发表了北京科技大学国家材料腐蚀与防护科学数据中心董超芳教授、纪毓成博士的最新研究成果《Tailoring precipitates for enhanced hydrogen trapping in aluminum alloys》。该工作集成第一性原理计算、分子动力学模拟方法，基于新构建的高精度机器学习原子间势函数，实现了跨尺度计算调控亚稳态强捕氢析出相，显著提升了铝合金抗氢脆性能。

这一突破标志着腐蚀集成计算方法在材料基因工程框架下的深度发展，高强耐蚀结构由“构型筛选”进一步向“自主设计”拓展。基于该方法，稳态及亚稳态结构的关键工艺窗口得以清晰界定，门槛热处理参数可被直观预测，为开发兼具高强度与优异耐蚀性的新一代合金提供了新路径，有望引领结构材料设计与性能突破的新方向。

北京科技大学纪毓成博士为论文第一作者，北京科技大学董超芳教授和荷兰代尔夫特理工大学Poulumi Dey教授为共同通讯作者。博士生付小倩、Mahdieh Safyari博士、博士生姚晨阳、双飞博士、程学群教授、殷绪成教授、李晓刚教授和Masoud Moshtaghi教授共同完成论文工作。

研究背景：

氢脆、应力腐蚀广泛存在于高强钢、铝、钛、镍等合金中，而氢在晶格、位错、空位、界面及第二相中分布，析出相的微小成分或结构变化即可显著影响其捕氢性能。近年来已有众多文献报告了合金中具备强捕氢能力的不可逆氢陷阱，通过第一性原理计算筛选了相关结构，并基于三维原子探针、同步辐射等方法进行了实验验证。然而，如何实现该氢陷阱结构，并合理确定轧制变形与热处理等关键工艺参数，仍缺乏直观有效的解决方法。对于力-热影响下的固态转变中的过渡相、特定条件下的亚稳相，其氢陷阱能力仍面临挑战。

图1 腐蚀集成计算方法自主设计并实现高效捕氢结构

研究结果：

基于密度泛函方法（DFT），氢在众多稳态/亚稳态结构中的焓值被计算，从而明确了有利于氢捕获的析出相结构，并累积了约35,550个高精度DFT构型。结合DFT构型和主动学习算法，构建了高精度Al-Sc-Cu原子间势函数，能量精度达4.8 meV/atom。该势函数在高温模拟中表现出高可靠性，可模拟Al-Sc-Cu体系的相变过程。借助分子动力学和蒙特卡洛方法，开展了铝合金的固溶和时效过程模拟，提取了过程中含Cu析出相数量及其内部含Cu比例的变化。分析了不同时效阶段的相变潜热和扩散距离，计算了最佳的热处理时间和温度。基于背靠背实验评估了铝合金氢脆敏感性，表征了析出相中的Cu分布，并结合三维原子探针和氢热脱附谱明确了析出相的氢捕获能力，使得铝合金抗氢脆性能提升78%。

方法介绍：

材料腐蚀集成计算是董超芳教授课题组的前沿研究方向之一。自2008年至今，作者团队一直在探索腐蚀集成计算方法及应用思路，在腐蚀多尺度建模与计算、界面微区腐蚀机理与智能评价、耐蚀材料理性设计与性能调控方面开展了较为深入的研究。通过融合第一性原理计算、分子动力学、相场法、有限元分析等不同尺度模型，构建了从电子结构、原子扩散、介观组织演化到宏观性能劣化的集成建模与数值仿真框架。关注钝化膜形成能垒或腐蚀介质扩散路径等特定尺度下腐蚀关键过程的同时，尝试阐明腐蚀多尺度模型间的关联机制。采用多尺度模拟方法，我们得以在虚拟空间中“观测”传统实验难以捕捉的瞬态过程与隐含变量，从而系统阐释腐蚀从微观起源到宏观失效的全链条机制，为材料设计与寿命预测提供理论基础。相关研究内容以《材料腐蚀集成计算与应用》专著发表。

图2 腐蚀集成计算方法

作者简介

董超芳，北京科技大学新材料技术研究院教授，国家杰出青年基金获得者，国家重点研发计划首席科学家，入选教育部新世纪优秀人才支持计划、北京市科技新星计划和山东省泰山产业领军人才等，目前为中国腐蚀与防护学会增材制造金属腐蚀与防护专委会主任。开展了材料腐蚀集成计算、界面微区腐蚀机理与高效评价、增材制造金属的腐蚀行为和耐蚀性能调控等工作，探索了计算数据驱动的腐蚀智能评估新方法与防护新技术。出版专著1部，在Nature、Nature Catalysis、Nature Communications、Corrosion Science、Additive Manufacturing等期刊发表学术论文200余篇，引用超过1.5万次，H因子61，连续4年入选全球前2%顶尖科学家榜单。获授权国家发明专利40余件、美国专利4件、软著3项，参编国家标准2项、ISO标准1项。

纪毓成，北京科技大学新材料技术研究院博士后。从事金属的腐蚀集成计算及耐蚀设计研究。入选第十届中国科协青年人才托举工程，主持国自然青年基金以及博士后面上等科研项目，参与多项国家重点研发计划项目。在Nature Communications、Corrosion Science、International Journal of Plasticity等学术期刊发表学术论文37篇，出版专著1部，授权国家发明专利5项，软著3项；曾获中国腐蚀与防护学会科学技术一等奖等奖项。