γ′相强化Co-Ni基变形高温合金是航空发动机涡轮盘等热端部件的关键候选材料，优异的抗蠕变性是其核心服役要求。相较于研究成熟的Ni基合金，Co-Ni基合金因低堆垛层错能呈现独特的平面缺陷形成机制，而γ通道内平面缺陷交互的原子尺度蠕变强化机理尚未明确。

近日北京科技大学研究人员在750°C/620MPa条件下对一种新型Co-Ni基高温合金进行实验研究，证实了该合金具有出色的抗蠕变性能，并在原子尺度上揭示了其平面缺陷演化与元素偏聚的协同作用机制，为基于晶体缺陷工程的高温合金优化设计提供重要理论支撑。该研究以“Role of planar defects interactions within γ channels on creep resistance enhancement in a novel Co-Ni based superalloy”为题被发表在期刊《Acta Materialia》上，通讯作者为北京科技大学付华栋和谢建新教授。

文章链接：

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

【核心内容】

研究针对一种新型Co-Ni基变形高温合金，在750°C/620MPa条件下开展蠕变测试，通过原子尺度表征发现，合金中堆垛层错SF、微孪晶MT等多类型平面缺陷的交互作用是其优异抗蠕变性的核心原因。初始蠕变阶段γ通道内形成5-10nm宽的SF，稳态阶段出现贯穿γ′相的MT和受限V形SF，SF交互作用生成阶梯位错并诱导局部FCC→HCP相变，且Co/Cr偏聚促进SF扩展与滑移、W偏聚稳定缺陷结构，结合合金低堆垛层错能（SFE=12.8mJ/m²）的特性，构建了基于晶体缺陷工程的抗蠕变合金设计理论框架。

图形摘要

【研究成果】

① 合金性能突破

该研究种的新型Co-Ni基变形高温合金在750°C/620MPa的实验加载条件下，最小蠕变速率可达到8.5×10⁻⁹ s⁻¹，比商用的Ni基合金低一个数量级，且稳定蠕变阶段可超过175h。

Co-Ni基锻造合金的初始微观结构和蠕变性能

② 微观结构特征

合金内部形成平均尺寸11.2μm的细晶组织，γ′相呈三峰分布。其微观组织在蠕变过程中形态稳定，为抗蠕变提供基础支撑。

在蠕变应变下γ′相的SEM图像分别为(a) 0, (b) 0.1%, (c) 0.5%和 (d) 1.0%

合金在1.0%蠕变应变下的微观结构

③ 层错等缺陷演化规律

蠕变应变从0.1%到1.0%时，γ通道内缺陷依次经历“5-10nm堆垛层错，109°V形堆垛层错+微孪晶和高密度堆垛层错-微孪晶交互网络”转变，同步生成阶梯位错和局部FCC到HCP相变。

在0.1%蠕变应变下的位错和SFs

在0.5%蠕变时，MTs从晶界起始，并通过连续剪切变形穿越γ/γ′界面

④ 核心机制揭示

该研究首次在Co-Ni基合金γ通道内观察到了SF交互形成的阶梯位错与V形SF，揭示三原子层零应变MT的形成新机制。通过三个不全位错协同滑移实现应力协调，明确了低堆垛层错能，缺陷交互和元素偏聚的三者协同强化机制。蠕变过程中，低SFE下可驱动缺陷形核，V形SF/MT形成几何障碍，Co/Cr促进SF扩展和W稳定缺陷结构。

元素分布在SFs间的剪切使γ'相变形

STEM-EDS结果揭示了MT和SF-MT界面元素的纳米级共分离现象

由SFs组成的L-C锁结构示意图

宏观零应变孪晶增厚和局部HCP相形成的机制

【总结与展望】

该研究阐明了750°C/620 MPa条件下新型Co-Ni基变形高温合金中“低堆垛层错能-平面缺陷交互-元素偏聚”的协同抗蠕变机制，为高温合金的缺陷工程设计提供了关键理论支撑。未来可基于该机制进一步优化合金成分与工艺，拓展其在更高温高压场景的应用，并深化极端服役条件下缺陷演化与性能衰减的关联性研究。