镍基单晶高温合金因其卓越的耐高温机械性能，被广泛应用于先进航空发动机涡轮叶片材料[1], [2], [3], [4]。为满足现代发动机不断提高的性能需求，通常添加Re、W、Ta和Mo等难熔元素以提供有效的固溶强化[5], [6], [7]。尽管如此，在极端热-力学环境下维持微观组织稳定性并抵抗结构退化，仍是限制这些合金使用寿命的关键挑战[8], [9], [10]。
在实际服役条件下，涡轮叶片承受复杂的热-力学耦合作用，其失效通常表现为沿[001]晶向的蠕变变形[11]。在此过程中，主要强化相γ′逐渐失去稳定性，伴随γ/γ′界面处的方向性粗化（rafting）[12], [13]。因此，提高γ′相及其界面的稳定性对于增强单晶高温合金的抗蠕变性能至关重要[14], [15], [16]。
大量研究表明，Re的添加显著提高了这些合金的蠕变性能[17], [18]。因此，Re含量常被用来区分不同代际的镍基单晶高温合金[19]。例如，第二代合金CMSX-4（含3 wt.% Re）在低应力下蠕变断裂温度提高约20°C，在高应力下提高超过40°C[20], [21], [22]。Re的强化效应通常归因于其在γ/γ′界面的偏聚[23]及其本征扩散系数低而抑制位错运动[24]。此外，Re降低了层错能，并提高了γ基体中位错滑移和γ′沉淀相切变的临界分切应力[25], [26]。尽管这些强化机制已被广泛研究，但实验证据表明Re的有益效应并非在所有条件下都单调持续。例如，Tian等人[27]发现，在1080°C下，将Re含量从4.2%增至4.5%反而使蠕变寿命从140 h降至96 h。虽然这种退化被归因于拓扑密排（TCP）相加速析出，但它反映了一个更广泛的观察结果：高温下过量添加Re可能通过不同的微观途径恶化蠕变性能。然而，Re这种依赖于条件的行为在原子尺度上如何表现仍然未知，阻碍了对先进含Re高温合金的合理设计。
解决这一问题需要了解Re原子在蠕变过程中与位错在原子尺度上的相互作用，但直接实验观测仍显不足。近年来，分子动力学（MD）模拟已被广泛用于研究镍基高温合金中的缺陷演化[28], [29]，因为MD能够提供中观或连续体方法无法达到的原子级分辨率[30], [31], [32]。这些模拟为Re诱导的局部晶格畸变和位错钉扎行为提供了重要见解。然而迄今为止，大多数MD研究侧重于微观组织演化、临界应力的统计分析或基于简化模型的强化效应[33], [34], [35], [36], [37]。因此，关于Re原子在不同温度和应力条件下如何与位错相互作用的系统性MD研究仍然缺乏。鉴于Re成本高昂，建立这种原子尺度理解对于优化其利用和指导下一次低成本镍基单晶高温合金设计至关重要。
本研究的主要目标是研究Re与位错线之间的相互作用及其在不同温度下对蠕变机制的影响，从而推进对不同条件下Re效应的理解。为此，基于CMSX-4合金[38]构建了真实的三维γ/γ′两相嵌入原子模型，并在一系列温度和应力下进行了MD模拟，以实时追踪Re原子与结构缺陷之间的动态相互作用。本研究有望为下一代低成本高温合金中Re的利用优化提供指导。
