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疲劳权威期刊IJF报道我院新进展：增材制造GH4169合金疲劳寿命大幅延长的成分设计策略

来源：增材制造耐蚀材料开发与制备课题组时间：2025-12-22

近日，我院韩恩厚院士与孙桂芳教授团队合作，针对航空发动机对高温合金性能要求日益提升的背景需求，通过成分改性设计了一种新型GH4169-CoZr高温合金。该合金基于优化后的成分设计，显著减少了Laves相析出，优化了析出相形态，增加了γ′/γ′′析出相含量，并通过晶界微量Zr元素的强化作用，使合金的高温疲劳寿命得到显著提升。相关研究成果以《Synergistic Effects of γ'/γ'' Precipitates and Grain Boundary Engineering on High-Temperature Fatigue Behavior in GH4169-CoZr Superalloys: Multiscale Mechanisms》为题，发表在疲劳领域国际权威期刊《International Journal of Fatigue》。

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合金组分是决定高温合金服役性能的关键。通过调控相分布、晶界结构及析出相等核心微观组织特征，合金设计为提升材料力学性能提供了根本途径，进而增强了其在高温、高应力及严苛环境中的适用性与可靠性。

为此，研究团队综合运用第一性原理计算、D电子合金理论、热力学计算及Python程序，构建了改性GH4169高温合金组分大数据集，并实现了快速筛选，最终获得GH4169-CoZr的优化组分。采用激光定向能沉积（DED）技术制备了高温合金试样，在完成常规力学性能测试验证的基础上，进一步开展了595℃、应力范围895-595MPa下的高温疲劳试验。结果表明：在845 MPa以下的各应力水平中，DED成形GH4169-CoZr合金均表现出优异的疲劳性能，这与其优化的显微组织密切相关。主要包括以下三个方面：(1) 条状γ′/γ′′相（平均长度为25 nm、宽度为7 nm、体积分数为30%）有效强化了γ基体；(2) 低含量Laves相减少了脆性金属间化合物点位，从而降低了疲劳裂纹萌生的应力集中；(3) 晶界处微量富集的Zr元素增强了界面原子结合强度，提高了晶界韧性。

此外，研究还发现两种合金的失效主要发生于表面，且DED GH4169表现出明显的晶间断裂特征。多尺度模拟进一步揭示了其强化机制：分子动力学模拟表明，条状析出较球状析出相能更有效地阻碍位错运动，抑制位错的滑动与攀爬；第一性原理计算证实，晶界处的Zr偏析可显著提高界面结合强度与热力学稳定性。该研究通过强韧化协同效应提升了合金的抗裂纹扩展能力，为未来高温合金的成分设计与微观组织调控提供了新思路。

图1 （a-e）添加不同元素时Laves相的非平衡凝固曲线：(a)添加0.02wt % V和0.06wt % V, (b)添加0.02wt % Zr和0.09wt % Zr, (c)添加1.5wt % Co和4.5wt % Co, (d)添加2.5wt % Mo和3.0wt % Mo, (e)添加18.5wt % Cr和20.5wt % Cr；(f) GH4169和GH4169- cozr合金