铼元素调控Co-Ni基高温合金显微组织与力学性能的协同优化机制研究

针对Co-Ni基高温合金强度-塑性难以协同提升的难题，研究人员通过调控铼（Re）含量（0-3 wt.%），系统探究了Re对γ/γ′相晶格错配度（0.26%→0.78%）、位错网络及晶界溶质偏聚的影响。发现2 wt.% Re可优化综合性能（抗拉强度1250 MPa，延伸率24%），而过量Re会诱发μ-TCP相导致性能劣化。该研究为设计高稳定性高温合金提供了关键阈值（~2 wt.% Re）和理论依据。

　　

在航空航天和燃气轮机领域，高温合金的耐热性能直接决定关键部件的服役寿命。Co-Ni基高温合金因其优异的γ′相（L1₂
结构）强化潜力备受关注，但长期面临强度与塑性难以兼得的困境。传统策略通过添加钼（Mo）、钨（W）等难熔元素提升性能，但过量铼（Re）会诱发拓扑密堆相（TCP），反而加速材料失效。这一矛盾被称为"Re效应悖论"，其原子尺度机制至今悬而未决。

上海大学与日本东北大学合作团队在《Materials Science and Engineering: A》发表研究，通过设计Re梯度合金（0-3 wt.%），结合真空电弧熔炼、热机械加工和时效处理，采用XRD分析晶格错配、TEM观察位错构型、APT（原子探针断层扫描）解析元素分布，系统揭示了Re的"双刃剑"作用机制。

材料与方法
研究选用Co-35Ni-17.5Cr-4Mo-3Nb-2Al-1.6Fe-0.8Ti为基础体系，通过精确控制Re替代Co含量（偏差±0.02 g），制备四组对比合金。采用多级热处理（1200℃固溶+700℃时效）获得γ/γ′双相组织，通过同步辐射XRD量化晶格错配度，结合EBSD和HRTEM分析缺陷结构。

晶格错配与相组成
XRD显示所有合金均保持FCC单相，但2 wt.% Re使γ/γ′错配度提升200%（0.26%→0.78%），诱发界面位错网络。APT证实Re主要固溶于γ基体（>90%），仅微量进入γ′相。这种选择性分配通过增大共格应变强化材料。

力学性能优化机制
在2 wt.% Re合金中观察到三重协同效应：（1）Re降低堆垛层错能（SFE），促进位错分解和铃木（Suzuki）偏聚；（2）驱动Cr/Mo向晶界偏聚，形成纳米级富溶质层（厚度~15 nm），抑制沿晶开裂；（3）通过短程有序效应阻碍位错运动，使强度-塑性达最佳平衡（UTS 1260 MPa，EL 24%）。

过量Re的负面效应
当Re达3 wt.%时，μ-TCP相在晶界析出，消耗固溶强化元素并成为裂纹源，导致性能显著下降（强度↓12%，延伸率↓17%）。DFTEM观察到TCP相与基体的非共格界面存在位错塞积。

结论与展望
该研究首次在Co-Ni基合金中确立Re的临界阈值（~2 wt.%），阐明其通过晶格畸变-位错交互-晶界修饰的多尺度协同机制。提出的"界面位错网络+晶界纳米层"双模型，为开发新一代高温合金提供理论指导。未来可结合机器学习优化多元成分设计，进一步拓展Re与其他元素（如Ru、Ta）的协同效应研究。