Co-Ni基γ/γ'强化高温合金具有优异的高温强度与组织稳定性，目前被视为是航空发动机等高温结构部件的重要候选材料。但该材料体系目前在700-800℃温度区间内的高应力蠕变变形机制与传统Ni基合金存在本质差异，尤其是低层错能（SFE）条件下位错解离、层错与孪晶的协同行为仍缺乏系统认识。

北京科技大学团队于2025年12月16日近期在《Acta Materialia》期刊上发表了题为“Role of planar defects interactions withinγchannels on creep resistance enhancement in a novel Co-Ni based superalloy”的研究论文，团队在γ通道内部直接观察到多类型平面缺陷的复杂交互行为，并提出通过晶体学缺陷工程（defect engineering）优化中温蠕变性能的全新设计思路。通讯作者为北京科技大学的付华栋教授和谢建新院士。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121833

【核心内容】

在该研究中，团队以Co-Ni基多主元合金为对象，提出通过在L1₂纳米析出相内部构建化学短程有序（SRO）来实现强度与塑性的协同提升。研究发现，Ta元素优先富集于析出相中，并因其与Al的化学亲和力和原子尺寸失配诱导析出相内部的化学非均质性，从而稳定形成SRO结构，SRO显著降低了超晶格本征层错（SISF）的形成能与能垒，促使析出相在变形早期产生高密度SISF与位错锁，提高应变硬化能力。

图形摘要

【研究方法】

研究使用的材料是多晶Co-Ni基高温合金，其标称成分为Co-30Ni-5.5Al-2W-1Ta-4.2Ti-1.5Mo-12Cr-0.08B-0.08C-0.01Zr-0.1Hf-0.4Si（at.%），在经过温度和时间1110℃/6h+1180℃/10h的均匀化处理后，钢锭在1150℃和1050℃下热轧，热轧样品在1070℃处理4h油冷以完成再结晶，然后进行900℃/4h和750℃/12h的两步时效处理，然后空冷(AC)或水冷(WQ)。随后在750℃/620MPa条件下进行分阶段中断蠕变实验（0.1%、0.5%、1.0%应变），并通过SEM、EBSD、HRTEM、STEM-EDS等多尺度表征手段，从晶粒尺度到原子尺度系统解析：γ/γ'组织稳定性、位错-层错-微孪晶的演化路径、γ通道内平面缺陷的相互作用与元素偏聚行为。

【研究成果】

① 初始显微组织特征与优异蠕变性能的建立

该合金形成了平均晶粒尺寸约为11.2μm的均匀细小γ/γ'双相结构，γ'析出相呈现典型的多尺度分布特征，其中晶内二级γ'占据主导地位，体积分数约为51%，为后续蠕变过程中位错活动提供了稳定而连续的强化骨架，在750℃、620MPa的中温高应力条件下，该合金表现出极低的最小蠕变速率（~8.5×10^-9 s^-1），显著优于传统变形高温合金。

初始微观结构与蠕变性能

不同蠕变应变下γ'相的SEM图像

② γ通道中层错的优先生核与跨相传播行为

在0.1%应变的蠕变初期，塑性变形首先集中于γ通道内部，受低层错能特性影响，γ基体中的全位错易发生解离，并在{111}面上诱发层错结构，这些层错宽度可达5-10nm，且能够在不发生明显阻碍的情况下穿越γ/γ'界面。相较于γ'相内部，γ通道是中温蠕变条件下平面缺陷的首要激活区域，其在早期变形阶段即对蠕变行为产生决定性影响。

0.1%蠕变应变下的堆垛层错和位错

③ γ通道内V形层错与γ'相微孪晶的协同演化

随着蠕变应变增加至约0.5%，γ'相内部逐渐出现典型的微孪晶结构，而在γ通道中则首次观测到由共轭{111}晶面层错相互交汇形成的V形层错构型。这类V形层错具有明显的几何稳定性，其交汇区域可有效俘获并钉扎滑移位错，从而抑制位错的连续迁移。γ通道中层错与γ'相内微孪晶在空间上的协同分布，使得塑性变形被分散并延缓。

0.5%蠕变应变下的微孪晶及堆垛层错相互作用

④ 多层错相互作用诱发零应变孪晶与局部结构转变

当蠕变应变进一步发展至约1.0%时，γ通道内部层错密度显著升高，多组层错在同一区域内发生复杂交互。研究清晰观察到ISF-ISF以及ISF-ESF之间的反应过程，局部区域形成类 Lomer-Cottrell锁结构，显著提高了位错运动阻力。同时，在特定几何条件下，三条部分位错协同作用形成宏观形变为零的孪晶结构，即所谓“零应变孪晶”。此外，连续层错的叠加在局部诱发FCC→HCP类相变，进一步增强了γ通道内平面缺陷网络的结构稳定性，从而有效延缓蠕变损伤的累积。

1.0%蠕变应变下的微观结构及原子分辨率图像

1.0%蠕变应变下平面缺陷的复杂组合

⑤ 平面缺陷处的元素偏聚及其对缺陷稳定性的调控作用

γ通道内的层错与孪晶界面处存在显著的成分重分布现象，Co与Cr元素在平面缺陷区域明显富集，而Ni与Al则表现出相对贫化趋势，同时W元素在层错-孪晶交汇区域出现局部偏聚，这种元素偏聚不仅进一步降低了局部层错能，促进层错的扩展与稳定，还通过溶质拖曳效应抑制位错的交叉滑移与攀移行为，从而在微观层面上稳定了γ通道内的缺陷网络结构。

γ'相中堆垛层错的元素分布

微孪晶与堆垛层错-微孪晶界面的元素共偏聚

堆垛层错形成的Lomer-Cottrell锁结构示意图

宏观零应变孪晶增厚及局部HCP相形成机制

【总结与展望】

该研究从γ通道这一长期被忽视的关键区域出发，系统揭示了中温蠕变条件下层错、微孪晶及其相互作用网络对Co-Ni基变形高温合金蠕变性能的主导作用，该工作不仅深化了对Co-Ni基高温合金蠕变变形机理的理解，也为通过“γ通道缺陷工程”优化下一代盘用高温合金提供了清晰且可操作的设计思路。