混合焓合金化策略实现镍基单晶高温合金超强抗蠕变性能的界面与尺寸效应

　　本研究针对镍基单晶高温合金在高温长时服役中蠕变性能提升的瓶颈问题，创新性地提出混合焓合金化策略（结合负焓N-enthalpy与正焓P-enthalpy设计），通过独特选择锇(Os)元素实现界面效应、尺寸效应与局部化学有序(LCO)的协同强化。研究发现Os的P-enthalpy效应促进γ/γ'界面偏聚，使γ'相尺寸减小至308nm；N-enthalpy效应则同步增强γ相通道中LCO形成。该合金在760°C/800MPa条件下蠕变寿命达1273小时（较基体合金提升6倍），创金属材料记录。成果为设计高性能高温合金提供了全新范式，发表于《National Science Review》。

　　

航空发动机叶片用镍基单晶高温合金是高温极端环境服役的关键材料，其性能提升长期依赖铼(Re)元素的添加。然而随着Re效应逐渐耗尽，传统合金化策略面临瓶颈——过量Re会导致拓扑密堆(TCP)相析出，而钌(Ru)的添加又可能引入新缺陷。如何在突破蠕变性能极限的同时保持组织稳定性，成为困扰学界数十年的难题。

北京工业大学材料与制造学部韩晓东、龙海波团队与浙江大学张泽院士合作，开创性地提出"混合焓合金化"设计理念。该策略巧妙结合正焓(P-enthalpy≥0)与负焓(N-enthalpy<0)效应：正焓元素（如Os与Ni）倾向于在γ/γ'界面偏聚，负焓元素（如Os与Cr）则促进γ相中形成局部化学有序(LCO)。通过热力学计算筛选，研究团队首次将Os作为核心合金元素，设计出具有界面-尺寸协同效应的新型合金。

关键技术方法包括：定向凝固制备[001]取向单晶棒材，采用阶梯式固溶+双级时效热处理（最高1325°C），通过SEM/TEM/XRD多尺度表征初始组织，结合EDS分析元素分布，并在1100°C-137MPa、980°C-250MPa、760°C-800MPa三种条件下系统评估蠕变性能。

【Microstructure and chemical distribution of the initial alloys】
研究发现Os添加使γ'相立方体尺寸从402nm降至308nm，γ通道宽度从90nm缩至70nm。HAADF-STEM显示Os在γ/γ'界面显著偏聚（P-enthalpy效应），同时γ相中LCO密度显著增加（N-enthalpy效应）。IFFT分析证实Os诱导的化学成分波动使γ'相呈现异质亮度变化。

【Creep properties of the alloys】
在最具工程意义的760°C-800MPa条件下，Os合金蠕变寿命达1273小时，是基体合金(189h)的6.7倍，创所有金属材料记录。1100°C-137MPa和980°C-250MPa条件下的寿命分别为302h和>500h，均达到第二代合金最高水平。

【Strengthening effect caused by the microstructure】
蠕变后组织分析揭示三重强化机制：(1)尺寸效应：小尺寸γ'相（308nm）和窄γ通道（70nm）提升Orowan应力（公式1）和强配对剪切抗力（公式2）；(2)界面效应：Os/Re界面偏聚使位错网络间距从60nm减至40nm，增大晶格错配度；(3)LCO效应：γ相中Cr-Co-Mo-Re-Os团簇可钉扎位错，γ'相中溶质偏聚阻碍层错运动。

该研究通过混合焓合金化策略，首次实现界面效应（P-enthalpy）、尺寸效应（Hall-Petch规则）与LCO（N-enthalpy）的协同调控。Os的独特作用体现在：作为"界面稳定剂"抑制γ'相粗化，同时作为"局域有序触发器"增强位错运动阻力。这种跨尺度设计理念不仅为发展超长寿命高温合金开辟新路径，其热力学指导原则还可推广至其他合金体系，对航空航天装备的轻量化与可靠性提升具有重大意义。