单晶Co-Al-W基高温合金中γ′析出相形貌对塑性失稳机制的调控研究

研究人员针对Co-Al-W基高温合金中塑性失稳机制不明的问题，通过设计两种γ′析出相形貌（粗大立方体状～310 nm与纳米球状～50 nm），系统研究了温度依赖的变形行为差异。发现粗大γ′相通过位错剪切诱发变形带导致广泛失稳，而纳米γ′相仅在1073 K通过层错产生间歇性应力波动，揭示了析出相几何特征对失稳模式的决定性作用，为高温合金设计提供了新思路。

　　

在航空航天领域，高温合金的塑性失稳现象如同隐藏在材料内部的"定时炸弹"，可能引发灾难性后果。Co-Al-W基高温合金因具有类似Ni基合金的L1₂型Co₃(Al,W)强化相（γ′相）而备受关注，但其独特的塑性失稳行为却始终蒙着神秘面纱。传统理论将这种不稳定性归因于动态应变时效(DSA)，即溶质原子与位错的动态交互作用，但越来越多的证据表明，γ′析出相的微观结构特征可能才是真正的"幕后推手"。

来自高精尖装备先进材料与制造技术实验室（High-end Equipment Advanced Materials and Manufacturing Technology Laboratory）的研究团队在《Materials Science and Engineering: A》发表的研究，犹如一把精准的手术刀，剖开了这个科学谜团。他们采用定向凝固技术制备[001]取向单晶棒材，通过两种热处理工艺（HT1：1583 K/10 h固溶+1173 K/100 h时效；HT2：1583 K/10 h单步固溶）分别获得粗大立方体γ′相（～310 nm）和纳米球状γ′相（～50 nm）两种典型组织。结合室温至1073 K的拉伸测试、应变速率敏感性分析和透射电镜表征，揭示了温度与析出相形貌协同调控塑性失稳的新机制。

研究首先通过显微结构表征确认，HT1处理形成沿<100>取向排列的立方体γ′相，并伴随～10 nm细小γ′粒子；HT2处理则获得均匀分布的纳米球状γ′相。力学测试显示惊人差异：粗大γ′相组织从室温到1073 K均表现出塑性失稳，而纳米γ′相仅在1073 K出现间歇性应力波动。深入分析发现，在粗大γ′相组织中，位错反复剪切导致位错增殖，形成变形带并引发应变局部化；而在纳米γ′相组织中，位错跨越析出相时产生层错，仅在高温下造成应力波动。

这项研究犹如打开了一扇新的大门，首次系统阐明了Co-Al-W基合金中γ′相形貌与塑性失稳的构效关系。其科学价值在于突破了传统DSA理论的局限，提出析出相几何特征可通过改变位错运动模式（剪切或跨越）来主导失稳行为。这一发现不仅为理解高温合金变形机制提供了新视角，更为设计抗失稳的新型合金指明了方向——通过精确调控γ′相形貌与尺寸分布，有望实现力学性能的"精准定制"。正如研究者所强调的，当γ′相尺寸从纳米级增至亚微米级时，位错运动模式会发生根本转变，这正是导致失稳行为差异的物理本质。该成果对发展下一代高性能航空发动机叶片材料具有重要指导意义。