随着现代制造业的快速发展,高性能材料一直是科研人员关注的焦点。Inconel 718合金是镍基高温合金中典型的代表之一,它是由主要强化相γ″-Ni₃Nb相和辅助强化相γ′-Ni₃（Al,Ti）相及基体相组成的时效强化型合金,因其具有良好的高温使用性能、高温抗氧化性及热加工性能,被广泛用于制作航空航天领域的热端部件如涡轮、叶片等。Inconel 718合金用作热端部件时工作条件恶劣,尤其是当合金使用温度超过650℃以上长期工作时,合金组织会发生失稳,造成合金高温性能降低。作为合金化元素,Co本身具有良好的高温性能,可以影响高温合金的显微组织稳定性。在镍基高温合金中,Co原子的添加略降低了γ′相中Al、Ti在合金基体中的溶解度,但减少了碳化物的析出;同时Co还可以提高变形镍基高温合金的热延性,提高合金组织的稳定性并改善其热加工性能;在某种程度上,也能降低Ni-Cr-Co固溶体的堆垛层错能,抑制交叉滑移促进合金的强化,提高合金的使用温度。本文采用第一性原理理论计算与实验研究相结合的方法,研究了Co掺杂对Inconel 718合金中γ相、γ′相、γ"相的组织稳定性及力学性能的影响。理论方面从密度泛函理论的角度具体分析了各掺杂相的晶体结构、体系的形成热和结合能、弹性性质、态密度、差分电荷密度及布居数等,对掺杂相成键特性和稳定性的影响进行了研究。实验方面制备了不同Co含量的合金原材料,通过XRD、SEM、TEM等测试手段检测了Co的添加对Inconel 718合金铸态、标准热处理态以及长时时效态的相组成、析出相的大小和形貌、以及合金硬度和屈服强度变化的影响。理论计算结果表明,当Co原子掺杂进基体γ相体系后,Co优先占据Ni位置,且掺杂Ni位置体系的稳定性增强。讨论弹性力学性质的影响可知,Co取代Ni原子后体系中B值呈增大的趋势,此外,除了占据Fe位置,掺杂其他位置后体系的剪切模量G与弹性模量E均呈增加趋势,表明原子间的结合增强,使材料的抗剪切变形能力和硬度均提高。通过分析体系的电子特性可知,未掺杂Co的体系中各原子间有均匀的电子气分布,而当Ni被Co原子取代后,发现Co与近邻原子间的电荷密度增加,积累使得原子间的结合力及键合作用增强;当Co原子掺杂γ′-Ni₃Al体系后,稳定性均有增强的趋势,Co原子占据Ni位置时强化相更易形成,且取代Ni、Al原子时均可提高相结构的稳定性。计算分析弹性性质可知,Ni₃Al体系本身具有延性,Co原子掺杂后体系仍具有延性,同时提高了Ni₃Al体系的硬度并增强了原子间的结合。从电子特性的分析可知,低能级区平均成键电子数的增加证明了价电子作用增强,形成结构更稳定。此外Co-Ni和Co-Al之间有大量的电荷积累,原子的电荷转移量增加,且共价键性增强,使掺杂体系的稳定性提高;当Co原子掺杂γ"-Ni₃Nb体系后,发现Co占据Ni位置体系的稳定性有所增强,其掺杂体系的硬度也增加。分析电子特性和键合作用可知,Co-Ni键的共价键更强,其原因是由于Ni d与相邻Co d轨道电子发生杂化,原子间的电荷转移量增加,导致电荷密度提高。此外Co的加入也增强了Ni-Ni键间的强度,再一次证明Co的掺杂增强了体系结合键的强度。实验研究结果表明,Co的添加提高了铸态Inconel 718合金的硬度;加入Co元素后改变了Inconel 718合金标准热处理态和长时时效态析出相的形貌和大小;经680℃、500h长时时效后,Co的加入增加了γ′相在高温时的稳定性,而对γ″相的影响没有γ′相显著。此外,未添加Co和添加Co的合金经标准热处理后其硬度都增大;而长时时效后,观察发现合金的硬度略微降低,且添加Co的合金其硬度下降速度要比无Co的原始合金下降速度慢,说明Inconel 718合金中加入Co可以减缓硬度的下降速度。理论计算和实验研究结果均表明添加适量的Co元素对Inconel718合金的组织稳定性和力学性能产生有利的影响。