新型镍基合金设计：成分-结构-性能协同调控及微观变形机制解析

本文创新性地结合分子动力学计算与实验策略，以剪切模量(G)和广义层错能(GSFE)为关键指标，设计出兼具高强度与高塑性的Ni55.66Cr13.3Co19.9Al5.5Fe7.7合金。研究揭示了TRIP（相变诱导塑性）与TWIP（孪晶诱导塑性）协同变形机制，建立了从成分优化到性能提升的全链条设计方法，为高性能结构材料开发提供新范式。

　　

Highlight

相组成

镍基合金中的主要析出相包括γ基体、γ′相（基于Ni₃Al的L12有序金属间化合物）、拓扑密堆(TCP)相和几何密堆(GCP)相。其中γ′相作为核心强化相，对合金性能起决定性作用；而TCP/GCP相则会显著劣化力学性能。

元素选择

镍作为基体元素具有稳定的面心立方结构。钴(Co)通过降低层错能促进堆垛层错形成；铬(Cr)增强抗氧化性但过量会引发σ相析出；铝(Al)是γ′相形成的关键元素；铁(Fe)可调节相稳定性。通过精准调控这些元素的协同作用，可实现性能优化。

层错能与剪切模量计算结果

针对NiCrCoAl四元体系，在Ni含量50-60%、其他元素1-28%范围内筛选出95种成分。如图2所示，通过计算90种成分的广义层错能曲线，发现特定成分组合能同时实现高剪切模量和低层错能，为后续力学性能优化奠定基础。

结论

本研究创新性地将分子动力学计算应用于合金设计，通过系统分析晶格常数、层错能和剪切模量，筛选出具有最佳强塑性组合的合金成分。拉伸模拟揭示了TRIP/TWIP协同变形机制，相图计算阐明了成分-相组成关系，为加速开发高性能结构材料提供了可推广的方法论。