近日，省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室可持续材料设计与模拟研究团队，在镍基单晶高温合金的γ/γ'相界偏聚工程方面取得新进展。相关研究成果以题为“First-principles mechanistic insights into solute-segregation induced strengthening and stabilizing effects on γ-Ni/γ′-Ni3Al phase interfaces and TCP-phase precipitation: Role of interface orientation and concentration”的论文，发表于金属材料领域国际顶级期刊 《Acta Materialia》（中科院一区，IF=9.3）。

这是该团队继2025年在镍基合金晶界调控方面取得重要进展（https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.120829）之后，再次在该顶级期刊上发表研究成果。兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室与甘肃省材料基因与结构基础学科研究中心为论文共同完成单位，薛红涛副研究员为第一作者兼通讯作者。

镍基单晶高温合金是制造先进航空发动机和涡轮燃气轮机热端部件的关键材料。然而，合金中γ/γ′相界的缺陷稳定性不足和材料强度偏低，是制约其性能提升的关键技术瓶颈。研究团队基于“界面偏聚工程”这一前沿相界调控理念，采用多尺度材料计算方法，系统构建了“界面取向—偏聚浓度—偏聚行为—相界性能—TCP相析出”的完整研究链条。团队全面研究了γ/γ′相界偏聚行为对界面取向和偏聚浓度的依赖性，发现偏聚行为的各向异性和浓度依赖性主要源于溶质原子间相互作用的改变。偏聚元素的d轨道与宿主Ni的d轨道发生杂化，从而改变费米能级附近的电子态分布，进一步影响偏聚倾向。在此基础上，研究深入阐明了相界偏聚的 “双刃剑”效应：一方面，偏聚可提升界面稳定性与强度；另一方面，也可能诱发有害TCP相的析出。W元素偏聚诱导的显著相界强化与稳定化机制分别源于W-5d与Ni-3d轨道耦合作用的增强，以及W-5d深能级电子态的增多。对Hf和Re等易诱发TCP相析出的元素，需警惕其高浓度界面偏聚带来的微观组织劣化倾向。该研究结果不仅有助于解释实验中观察到的单晶高温合金断裂各向异性、γ′相形貌演化（如Cr添加导致立方→球形转变）及‌TCP相在相界处形核等现象，也为下一代高性能镍基高温合金设计中的“收益‑风险”平衡提供了重要理论依据和新思路。

该研究得到国家自然科学基金(12204210)，甘肃省基础研究创新群体（25JRRA803）、重点基础研究专项（26JRRA037）和全国重点实验室培育项目（26JDRA009）等经费的支持。（图/文：薛红涛，审核：张飞龙）

作者简介

薛红涛，男，1988年9月生，中共党员，工学博士，副研究员，博士研究生导师，2026年甘肃省科技专员，2023年中组部“西部之光”访问学者，2020年甘肃省杰出青年基金、2017年甘肃省优秀博士学位论文获得者，2015年英国南安普顿大学访问学者，甘肃省科技专家库入库专家，甘肃省人工智能专家智库专家，甘肃省人工智能学会和材料学会会员。主要采用机器学习辅助的第一性原理计算、分子动力学模拟和蒙特卡罗模拟等多尺度材料模拟技术，从事金属结构材料、薄膜太阳能电池材料以及全固态锂硫电池材料的结构设计与性能调控研究，先后主持国家级科研项目2项、省级项目3项、厅级项目2项、国家重点实验室项目3项、横向课题4项，在Acta Materialia、Materials Today和Journal of Materials Research and Technology等学术期刊发表SCI、EI收录论文100余篇，担任Metals Advances期刊青年编委，Nature Communications、Acta Materialia和Journal of Materials Science and Technology等10多种国际TOP期刊审稿人。