面向海洋强国战略需求，深海装备关键材料的性能优化已成为科技攻关重点。钛合金以其优异的力学性能和耐蚀性，广泛应用于深海苛刻环境（高静水压、低氧、长周期），主要归因于其表面自发形成的稳定且具有自修复能力的钝化膜。然而，尽管有这一优势，钛合金对氢致损伤仍具有显著的敏感性。在促进阴极极化的深海服役环境中（800~1000米深度氧浓度最低），这种风险变得尤为严峻。因此，探明深海环境下氢损伤的临界条件，揭示静水压力对氢损伤行为的物理化学影响机制，已成为国际海洋材料科学领域亟待突破的关键科学难题。
针对这一重大需求，中国科学院金属研究所宋影伟研究员团队采用深海高压氢渗透原位测试技术，创新性地发现了“静水压力诱导氢损伤阈值电位正移”现象。研究团队通过构建“界面电场强度—析氢反应动力学—钝化膜理化特性”协同作用模型，成功破译了深海高压环境下钛合金氢损伤敏感性显著增加的物理机制。该研究的创新成果主要体现在：（1）首次量化了静水压力导致的氢致损伤阈值电位漂移规律（从常压的-0.41 V（SCE）正移至8 MPa下的-0.21 V（SCE））；（2）揭示了静水压力通过物理压缩双电层厚度、增强界面电场，进而指数级加速析氢反应动力学的微观机理；（3）阐明了静水压导致钝化膜致密层显著减薄与电子结构改变的劣化机制，证明了“膜层屏障失效”与“表面反应加速”存在正反馈协同效应。
系统的研究表明，静水压力在钛合金氢损伤过程中扮演着“加速器”与“破坏者”的双重角色：首先，静水压将电极表面的亥姆霍兹层（Helmholtz layer）厚度压缩约23%，导致界面电场强度增加，使表面吸附氢的覆盖度从0.15激增至0.99，Volmer析氢反应速率指数级增加，极大地增加了氢进入基体的驱动力；其次，静水压破坏了钛合金劣化了表面钝化膜，使其致密内层厚度削减超过50%（从3.9 nm减薄至1.6 nm），且膜内缺陷密度倍增，导致其阻挡氢渗透的能力大幅下降。研究进一步建立了静水压—氢渗透动力学模型，建立了钛合金深海环境下氢损伤阈值电位的安全服役判据。
这一成果不仅修正了深海钛合金装备的安全性评价准则，解决了深海工程设计中长期存在的理论盲区，更为我国深海重器的长寿命安全服役提供了重要的理论指导和数据支撑。相关研究成果以“Threshold potential for hydrogen-induced damage of Ti-6Al-4V Alloy under deep-sea environment: A mechanistic insight”为题，发表于金属材料科学领域著名期刊《Acta Materialia》。金属研究所蔡勇副研究员为论文第一作者，宋影伟研究员担任通讯作者。
本研究获得了中国科学院战略性先导科技专项和国家自然科学基金项目的资助支持。该成果将为深海钛合金构件的全寿命周期安全评估提供理论依据，为载人深潜器、深海空间站等海洋装备提供抗氢损伤钛合金设计准则，服务国家海洋强国战略的重大需求。
图1 深海静水压环境下氢渗透和阈值电位
图2 钛合金氢损伤阈值电位的验证
图4 静水压显著增强Volmer析氢反应和氢表面覆盖度
图5 静水压降低钝化膜厚度和致密性
图6 静水压改变半导体钝化膜的能带结构，促进电子转移
来源：中国科学院金属研究所
