防护涂层技术对于提高涡轮叶片材料抗氧化腐蚀性能、保证涡轮叶片安全服役具有至关重要的作用，然而，防护涂层与高温合金间有本征的物理、化学性能不匹配性，其界面反应会导致界面组织退化，合金与涂层性能下降，成为制约涂层应用的关键因素。本文概述了典型涂层/高温合金界面组织演变与扩散行为及其影响因素，讨论了界面行为对含涂层高温合金组织稳定性和力学性能的影响，从涂层组织成分优化、界面阻扩散层设计和新型界面稳定涂层研发3个方面介绍了涂层/合金界面的调控方法。总结了涂层/高温合金界面相容性的关键特征，并提出未来应在界面对涂层/合金性能的影响规律与机制、调控界面的多手段联用、计算辅助涂层设计等方面开展系统性研究。

单晶高温合金是先进航空发动机、燃气轮机的核心热端材料，单晶叶片要求高、制造工艺复杂、容错空间小，在高温、复杂应力、氧化和热腐蚀等苛刻环境下工作。本文概述了近几年镍基单晶高温合金在合金研制、组织性能演化和表征、近服役环境下力学行为评价以及叶片制造工艺等方面的研发进展，并简单介绍了难熔高熵合金等“下一代”新型高温结构材料的研发情况。

近年来，随着航空发动机和地面燃机的持续发展，对其关键热端部件的环境抗力和承温能力的要求越来越高，γ′相强化钴基高温合金在抗热腐蚀性能和熔点温度等方面较镍基高温合金具有优势。为了促进此类合金的发展，本文基于国内外在合金开发和蠕变性能等方面的研究成果，结合本课题组的研究工作，总结了该类合金在合金化原理、合金设计方法和蠕变机理等方面的研究现状，凝练出了目前该类合金发展存在的关键基础科学问题，并对未来需要关注的研究方向进行了概述。

残余应力是在没有外力的作用下，仍以平衡状态存在于物体内部的应力，主要源于制备过程中不均匀的塑性变形。高温合金层错能低、回复困难，因此相对于其他金属材料来说，残余应力易累积、难释放、控制难度大，并由此导致了后续加工和使用过程中的各类问题。本文从高温合金锻件残余应力的形成和演化机理出发，综述了铸-锻-热处理-机加工-焊接等工艺中残余应力测试表征、数值模拟、优化控制等方面的研究进展，并重点介绍了多尺度残余应力与高温合金中析出相变的交互作用行为，及残余应力对高温合金锻件服役性能的影响，并在此基础上展望了合理预置并利用残余应力的可能性。

三联冶炼技术的突破促进了我国GH4169合金盘锻件全流程制备技术的优化。本文综述了GH4169合金的化学成分、三联冶炼技术、开坯技术、锻造技术、残余应力控制、质量控制体系等方面的研究进展。三联冶炼技术的突破提高了GH4169合金的纯净度，降低了冶金缺陷概率；镦拔+径锻联合开坯提高了GH4169合金棒材组织均匀性和成材率；残余应力控制技术降低了GH4169合金盘件加工和服役过程中的变形量。此外，本文讨论了GH4169合金在超高强度、超大尺寸、高耐蚀性能和抗氢脆等研究中存在的难题，并对未来工作方向进行了展望。

为满足不断攀升的两机涡轮动力系统的快速发展，表面冲击强化技术在涡轮转子用高温合金表面强化的应用及相应机制的研究受到了广泛关注。然而，高温合金表面硬化层在高温服役环境下的回复、再结晶行为难以避免，由此引起的表面强韧化、抗疲劳效果的退化，成为制约表面冲击强化技术在先进高温合金关键部件深入应用的瓶颈。本文总结了近年来镍基高温合金表面冲击强化机制及应用研究进展，分析了表面冲击强化对镍基高温合金表面强韧性及抗疲劳的作用规律，探究了高温合金表面冲击硬化层在高温及长期时效过程中的显微组织、微结构演化及其对高温稳定性的作用机理。以期为发展镍基高温合金表面冲击强化、提高两机涡轮转子疲劳抗力提供基础。

对3种粉末高温合金FG4096、FGH4097和FGH4098，2种变形高温合金GH4720Li和GH4738等典型镍基高温合金，在550~800℃的宽温度范围内开展疲劳裂纹扩展实验，明确了合金在服役温度范围内的高温段存在疲劳裂纹急速扩展的敏感温度。综合考虑合金的高温组织演变和力学性能衰减对疲劳行为的影响，发现2者并非高温疲劳裂纹急剧扩展敏感温度存在的主因。不同温度下疲劳断口和裂纹扩展路径的对比以及氧化损伤分量的计算表明，高温下晶界氧化损伤是疲劳裂纹急剧扩展敏感温度存在的主要原因。采用分子动力学计算分析了不同温度下O对Ni和NiCr体系晶界强度的影响规律。通过实验和理论计算阐述了镍基高温合金疲劳裂纹扩展的高温敏感性现象和本质原因。

将标准热处理的试样分别采用粒径为150、124和100 μm白刚玉砂在0.5 MPa压力下吹砂，研究吹砂对第二代单晶高温合金DD6表面完整性的影响；对未吹砂和粒径150 μm吹砂试样分别进行760和980℃旋转弯曲高周疲劳性能测试，研究吹砂对DD6合金疲劳性能的影响。结果表明：吹砂会破坏单晶高温合金的表面完整性，使表面出现砂粒切削造成的不规则凹坑，改变表面形貌；砂粒粒径增加，表面粗糙度和显微硬度均增大；吹砂使大量位错在γ相通道中滑移，靠近表面区域位错密度较大；并且，大量位错剪切γ'相，形成反相畴界和层错；吹砂造成形变强化、引入残余应力；150 μm、0.5 MPa吹砂对DD6合金760℃旋转弯曲疲劳性能基本无影响，但会降低合金980℃疲劳性能，对低应力幅区疲劳寿命影响较大，使疲劳强度下降约7.3%。缺口效应、氧化损伤、形变强化和残余压应力的耦合作用导致吹砂与不吹砂试样疲劳寿命产生差异。

以γʹ相强化的Co-Al-W高温合金(Co-9Al-xW，x = 8、9、10，原子分数，%)为研究对象，耦合CALPHAD和晶体塑性本构关系，建立了高温加载时微观组织演化的三元弹塑性相场模型，考察了W含量对蠕变过程中γʹ相演化行为和蠕变性能的影响。结果表明，随W含量增加，γ'相体积分数增加，γ基体塑性变形降低，筏化形成并提前，导致蠕变性能提高。不变矩分析表明，9W和10W合金中筏组织形成是出现稳态蠕变阶段的主要原因。应力/应变分析表明，高W合金γ基体中较大的错配应力减小了塑性变形。

通过SEM和TEM等手段研究了经热机械疲劳变形后的第三代和第四代单晶高温合金的显微组织，了解高温合金在近服役条件下的变形组织，分析单晶高温合金近服役条件下的变形机制。结果表明，第三代和第四代单晶高温合金样品中在不同{111}面上产生了大量的变形孪晶，且在平行的孪晶片层中或者孪晶片层交截周围发现大量再结晶晶粒。再结晶晶粒的界面主要由变形后的孪晶界、小角度晶界以及孪晶相交产生的大角度晶界组成。借助像差校正透射电镜解析了变形后的孪晶界结构以及孪晶诱发动态再结晶的过程，揭示了单晶高温合金热机械疲劳断裂机制。

研究了最新开发的高W高Ta型粉末高温合金GNPM01优异的蠕变性能和蠕变强化机理。利用球差校正扫描透射电子显微镜(AC-STEM)，详细分析了粉末高温合金GNPM01蠕变变形机制和溶质原子在超点阵层错和微孪晶上的偏聚行为，阐明了溶质原子Cr、Co、Mo的偏聚是导致无序微孪晶在晶内扩展的根本原因。GNPM01合金在815℃蠕变过程中，γ'相内孤立的超点阵外禀层错(SESF)处出现了W、Ta、Nb、Co和Ti的Suzuki偏聚，并且偏聚原子具有有序的占位，造成SESF处发生局部微区相变(LPT)，形成的[(Ni, Co)₃(Ti, Nb, Ta, W)]有序相η相能有效阻碍微孪晶的形成和扩展，从而降低合金的蠕变速率。

以第二代单晶高温合金DD432为研究对象开展激光增材修复实验，利用实验与理论计算相结合的手段，分析和研究了单晶高温合金在激光增材修复过程中的热裂纹形成机制。结果表明，单晶修复区内热裂纹在大角度晶界处形成，裂纹两侧呈现显著应力集中，裂纹源区域分布大量MC型碳化物。热裂纹的形成取决于液膜的稳定性、应力集中及碳化物析出相的共同作用。液膜稳定性取决于枝晶凝并过冷度，并与相邻晶粒间的晶界角度密切相关。基于Rappaz枝晶凝固过冷理论，计算获得DD432单晶合金形成稳定液膜的最小晶界角为2.9°，即该合金热裂纹形成的临界角；大角度晶界处的枝晶凝并过冷度为395 K，远高于晶粒内部枝晶间液膜的过冷度(29.58 K)以及小角度晶界(3.6°)处的枝晶凝并过冷度(56 K)，大角度晶界为开裂提供了稳定液膜；沉积区内部的高水平应力集中驱动了热裂纹的萌生与扩展；MC型碳化物析出相通过“钉扎作用”抑制液相补缩及弱化与基体之间结合强度等作用进一步促进了热裂纹形成。

对K439B合金开展800℃、3000 h长期时效，研究合金显微组织及力学性能的演变，分析室温拉伸及815℃、379 MPa持久性能的变形机制。结果表明：热处理态K439B合金中的γ'相呈球状，晶界存在MC及M₂₃C₆ 2种碳化物，而枝晶间仅存在MC碳化物。在800℃长期时效过程中，γ'相的粗化遵循Ostwald熟化机制且形貌趋于立方化，γ′相粗化速率为71.7 nm³/h；晶界和枝晶间MC碳化物发生退化，M₂₃C₆碳化物析出含量逐渐增加。时效3000 h后晶界γ'相与M₂₃C₆碳化物存在[111] _γ' //[111] _M{}_{{}_{\mathrm{23}}}_C{}_{{}_{\mathrm{6}}}、(2\overline{\mathrm{2}}0) _γ′ //(2\overline{\mathrm{2}}0) _M{}_{{}_{\mathrm{23}}}_C{}_{{}_{\mathrm{6}}}的位向关系。热处理态合金的室温抗拉强度和屈服强度分别为1159.0和911.5 MPa，815℃、379 MPa持久寿命为150.4 h。长期时效后γ'相尺寸增加使得位错的运动方式由以位错在基体中滑移为主向位错切入γ′相为主转变，γ′相中出现了更多的堆垛层错，合金室温拉伸强度和815℃、379 MPa持久寿命均降低。

采用场发射扫描电镜(FESEM)、X射线光电子谱(XPS)、高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)以及程序升温脱附与质谱联用(TPD-MS)等表征手段研究了不同窄粒度范围镍基高温合金粉末的原始表面状态以及存储和脱气等增/降氧过程对合金组织和性能的影响。结果表明：不同粒度原始态粉末的表面组成均为NiO/Ni(OH)₂、TiO₂、CoO和Cr₂O₃，0~15 μm粒径粉末(细粉)和150~180 μm粒径粉末(粗粉)平均氧化膜厚度分别为3.32和10.90 nm。细粉和粗粉在空气环境中存储后氧含量逐渐增大，在3~10 d达到稳定值，分别约为250 × 10^-6和40 × 10^-6。存储后0~53 μm粉末制备的块体合金氧含量升高，室温、650℃和750℃拉伸强度变化不大，但塑性下降，合金在650℃、890 MPa和750℃、530 MPa的持久性能均下降。0~15 μm细粉加热过程中(室温~1000℃)会发生气体脱附，存在明显脱附峰的气体包括CO₂、H₂O和H₂，粉末表面气体的脱附温度范围主要在100~600℃，脱附峰主要集中在300~600℃温度段，150~180 μm粗粉加热过程脱附峰不明显。0~53 μm的粉末采用300℃ + 600℃温度组合方式除气后制备的合金氧含量从初始状态的195 × 10^-6下降到113 × 10^-6，合金力学性能更优，性能提升主要表现在合金的塑性升高。高温合金粉末增氧机制主要包括表面氧化和表面吸附，而降氧机制主要为粉末表面吸附的含氧气体的脱出。采用高温合金粉末升温脱附曲线中峰位所处温度精确定制除气保温温度组合，通过25℃ + 150℃ + 310℃ + 470℃低、中、高温组合多级除气处理使得空气中存储过的镍基高温合金粉末(0~53 μm)氧含量可进一步降低到(87~96) × 10^-6。

分别利用常规下抽拉法与新型上提拉法进行不同方向的高温合金定向凝固实验，对比研究重力对单晶铸件凝固组织的影响。结果表明，在常规下抽拉法实验的向上凝固过程中，容易出现雀斑、γ/γ'共晶上聚和籽晶回熔紊乱等问题。原因是糊状区内液体由于元素偏析引起密度减小，在重力作用下形成了上重下轻的失稳状态并引起对流。而通过新型上提拉法实现的顺重力凝固过程中，密度减小的液体处于糊状区上端，形成上轻下重的稳定状态，使重力的作用由失稳因素转化为维持稳定的因素，抑制了液体对流的产生与发展。采用新型上提拉法制备的单晶铸件中彻底消除了雀斑缺陷，抑制了γ/γ'共晶组织的向上聚集，也保证了低密度籽晶稳定的回熔和外延生长。顺重力定向凝固技术从根本上消除了重力对高温合金定向凝固的不良影响，有希望发展成为新一代的先进单晶叶片成型技术。