随着航空航天工业的不断发展，高温合金的开发与研究越来越被人们所关注。高温合金是指能够在 600℃温度以上条件下可以工作，并可以承受加大应力，有一定耐腐蚀性、抗氧化性等良好高温性能的合金。高温合金主要应用在航空航天发动机中，其中涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、燃烧室等部件几乎由高温合金制成。按合金基体元素分类，高温合金主要分为铁基高温合金，钴基高温合金以及镍基高温合金。其中镍基高温合金拥有良好的组织结构及蠕变性能，是作为航空发动机的首选材料。
镍基高温合金在航空航天领域应用比较广泛，约有 40% 的高温合金为镍基高温合金。镍基高温合金主要成分为 Ni、Co、Cr、W、Mo、Re、Ru、Al、Ta、Ti 等元素，基体为镍元素，含量在 60% 以上，主要工作温度段在 950℃ -1100℃，在此温度段内服役时，其有较高的强度，较强的抗氧化能力以及抗腐蚀能力。镍基高温合金的发展始于英国的 80Ni-20Cr 合金，人们在其中添加了少量的 Ti 和 Al，发现了强化相，继而开启了发展镍基高温合金的篇章。60 年代初期，人们发现合金的中温性能较差，叶片在工作中有断裂情况发生，经研究发现，合金中境界出杂质较多，原子扩散速率较快，晶界成为在镍基高温合金服役中易发生裂纹的环节，基于这一问题，人们开始研究定向凝固技术。定向凝固技术就是使合金在生长过程中只沿应力轴方向生长，具有代表性的合金是美国研制的 PWA 1422。从此镍基高温合金的发展进入到新的时期。但是随着航空航天也的发展，对合金性能的要求越来越高，纵向晶界仍然是影响其高温性能的主要病因。为了消除合金中的纵向晶界，选晶法和籽晶法这两种制备合金方法于 20 世纪80 年代相继问世，从此镍基单晶高温合金开始登上历史舞台。到今天为止镍基单晶高温合金已经发展到第 5 代。
随着航空航天的发展，速度更快，可靠性更好，耗油量更低的飞行器被制造出来，不断提高的航空发动机的性能是其中的关键因素，发动机的推力从 1942 年的 363 公斤大幅度提高到现在的 30000 公斤。通过不断提高航空发动机的推力和推重比，不仅能有效提升引擎功率，还可以减少能源的消耗，而达到这一目的的最有效方法便是提高喷气引擎的工作温度，这对高温合金的耐热性能提出了新的要求。提升镍基高温合金耐热性能的主要方法是添加一系列难熔元素和稀土元素进行强化，如铼(Re)、钌(Ru)、钨(W)、钼(Mo)、钽(Ta) 等固溶元素赋予了合金优异的抗高温，抗疲劳性能。但是，片面的追求高强度而添加过多元素一方面增加了合金的密度，提高了合金的原料成本，另一方面还严重影响了合金组织稳定性、成分均匀性，使得合金铸造性能恶化，单晶化难度不断增加。尤其是合金中的 Re元素，不仅会促进高温下脆性的 TCP 相的形成，降低合金服役时强度，还会造成合金严重偏析。针对这一问题，大量国内外研究者都在试图通过调整合金成分的方法，以期在保证合金性能的前提下降低 Re 元素含量，关于低铼镍基高温合金的研究越来越受到人们的重视。但目前针对这一领域的研究还存在一些问题，主要表现在：
（1）缺乏关于制备单晶铸件时的成型工艺参数对组织形貌影响的研究。
（2）对于低铼镍基高温合金涡轮叶片定向凝固规律及铸件组织形貌研究少有文献报道。
（3）目前的热处理工艺主要针对普通高温合金，关于低铼镍基高温合金的热处理工艺及其对组织影响研究相对比较少。
（4）低铼镍基高温合金的各项力学性能研究集中于中低温环境下，缺乏进一步对高温性能的研究。
基于此，本课题用理论计算和实验的方法研究铼对镍基高温合金的影响，以用于发展新型低铼或无铼的镍基高温合金，探究其基本的热物性及其微观结构变化机理，并以此为指导，研究性能提升的方法，寻找现有合金的潜力，具有重要的学术意义和实用价值。
项目成果：
(1) Hargather C Z , Shun-Li S , Zi-Kui L . A comprehensive first-principles study of solute elements in dilute Ni alloys: Diffusion coefficients and their implications to tailor creep rate [J]. Acta Materialia, 2018:S1359645418305482-.
(2) Hargather C Z, Shang S L, Liu Z K. Data set for diffusion coefficients and relative creep rate ratios of 26 dilute Ni-X alloy systems from first-principles calculations [J]. Data in brief, 2018, 20: 1537-1551.
(3) Liu X L, Shang S L, Hu Y J, et al. Insight into γ-Ni/γ′-Ni3Al interfacial energy affected by alloying elements[J]. Materials & Design, 2017, 133: 39-46.
(4) Chen J, Zhang L, Zhong J, et al. High-throughput measurement of the composition-dependent interdiffusivity matrices in Ni-rich fcc Ni-Al-Ta alloys at elevated temperatures [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2016, 688: 320-328.
(5) Chen J, Xiao J, Zhang L, et al. Interdiffusion in fcc Ni–X (X= Rh, Ta, W, Re and Ir) alloys [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2016, 657: 457-463.
(6) Hu B, Yuan X, Du Y, et al. Thermodynamic reassessment of the Ni–Si–Ti system using a four-sublattice model for ordered/disordered fcc phases supported by first-principles calculations[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2017, 693: 344-356.
(7) Wen S, Tang Y, Zhong J, et al. High-throughput measurements of interdiffusivity matrices in face centered cubic Ni–Al–Mo alloys at 1273–1473 K [J]. Journal of Materials Research, 2017, 32(11): 2188-2201.
(8) Shang S L, Wang Y, Du Y, et al. Integrating computational modeling and first-principles calculations to predict stacking fault energy of dilute multicomponent Ni-base alloys [J]. Computational Materials Science, 2014, 91: 50-55.
(9) Hargather C Z, Shang S L, Liu Z K, et al. A first-principles study of self-diffusion coefficients of fcc Ni [J]. Computational Materials Science, 2014, 86: 17-23.