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西安交大《Acta Materialia》：化學不均勻性提升高熵合金抗輻照性能

2023-02-07 14:57:21 作者：材料基來源：材料基分享至：

近年來，高熵合金在反應堆環境下的研究得到了迅速發展，受到了學術界和工業界的廣泛關注。高熵合金中的化學不均勻性（化學局域有序和納米尺度的成分起伏）被科研人員認為是區別于傳統合金的一個重要特性，可顯著提高高熵合金的力學性能，然而化學不均勻性對輻照缺陷行為的影響至今仍未被深入探索。揭示這種化學不均勻性如何影響材料的輻照效應對先進核結構材料的設計和開發有著關鍵作用，對我國研發下一代先進核能系統有著重要的指導意義。

西安交通大學盧晨陽教授等人發現將少量的小間隙C和N原子引入到NiCoFeCrMn合金中，可以使溶質周圍的主元素原子形成化學短程有序（CSRO）, 從而影響輻照缺陷（空位和自間隙原子）的擴散路徑和缺陷回復幾率，進而有效地減緩空洞等輻照損傷的產生。這主要是由于輻照產生的弗蘭克爾缺陷（空位和自間隙原子）遷移的空間尺度均在原子級別，這些點缺陷運動演化中遭遇異質的元素和鍵合時會做出選擇，自主的向能壘最低的方向躍遷，“局部化學有序”因而會對缺陷行為產生至關重要的影響，促進殘余缺陷的有效湮滅，從而提高材料的抗輻照性能。相關成果以題目為：“Enhancing the radiation tolerance of high-entropy alloys via solute-promoted chemical heterogeneities”發表在金屬材料領域旗艦頂刊《Acta Materialia》。文章的第一作者為西安交大蘇鉦雄博士和丁俊教授，通訊作者為西安交大王盛教授、盧晨陽教授和馬恩教授，文章中的合金樣品由中南大學李志明教授提供。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422010370

在高熵合金中通過替換或者引入一些原子尺寸大小和電負性差異較大的元素時，組分的不均勻性會變得更加明顯。本文將少量的小間隙C和N原子引入到NiCoFeCrMn合金中，利用小間隙原子與五種主元元素的化學親和性各不相同的特點，調控和增強了合金中的化學短程有序（CSRO）和化學成分波動，最終顯著抑制了合金的輻照腫脹行為。通過球差透射電鏡表征了NiCoFeCrMn和NiCoFeCrMn-CN中CSRO的尺寸和面積占比情況，并基于DFT-MC模擬揭示了間隙C/N原子近鄰處的元素分布情況，如圖1所示。該結果表明C/N間隙原子有效地提高了NiCoFeCrMn合金中CSRO的程度。隨后采用EDS對NiCoFeCrMn和NiCoFeCrMn-CN中的元素波動進行了原子尺度分析，發現C/N間隙原子的引入有效地增強了合金中各個元素的波動程度，如圖2所示。隨后對兩種材料進行了高溫離子輻照，如圖3所示，可以發現間隙C/N原子誘發的化學不均勻性顯著地降低了材料的輻照腫脹率。

結合第一性分子動力學（DFT-MD）模擬計算分析，如圖4所示，引入小間隙C/N原子后NiCoFeCrMn-CN固溶體的自間隙原子擴散速率相比NiCoFeCrMn顯著下降。這主要得益于間隙C/N原子作為溶質和誘發CSRO的雙重作用，這也使得NiCoFeCrMn-CN中的位錯環尺寸相比NiCoFeCrMn更小，如圖5所示。更為關鍵的是，C/N間隙原子降低了材料中自間隙原子和空位擴散速率的差異，這使得它們有更多的機會相遇并復合湮滅，從而推遲空位團簇的形核和長大，最終引起材料輻照腫脹率的下降。基于實驗和計算的結果，如圖6所示，本文提出在高熵合金中利用小間隙原子增強的化學不均勻性可以有效地促進輻照缺陷的湮滅，從而提高材料的抗輻照性能。

圖1. NiCoFeCrMn和NiCoFeCrMn-CN中CSRO的表征和尺寸面積占比統計，以及C/N元素附近的合金元素分布

圖2. NiCoFeCrMn和NiCoFeCrMn-CN的元素波動

圖3. NiCoFeCrMn和NiCoFeCrMn-CN和其他典型合金的輻照腫脹率的對比

圖4. DFT-MD模擬有/無CSRO的NiCoFeCrMn和NiCoFeCrMn-CN中的自間隙原子和空位擴散速率

圖5. NiCoFeCrMn和NiCoFeCrMn-CN位錯環的對比

圖6. 局部化學短程有序對輻照缺陷演化的影響示意圖

成果啟迪

利用小間隙C/N原子增強高熵合金中的CSRO程度和化學成分起伏，可以有效地改變輻照缺陷的遷移路徑并提高點缺陷之間的復合效率，從而顯著地調控材料的輻照性能，為設計開發優異的抗輻照合金提供了一個新的思路。

近期，盧晨陽教授團隊在高熵合金輻照效應方面發表多篇論文，相關論文列表如下：

1. Zhengxiong Su，Jun Ding，Miao Song，Li Jiang，Tan Shi，Zhiming Li，Sheng Wang*，Fei Gao，Di Yun，En Ma*，Chenyang Lu*. Enhancing the radiation tolerance of high-entropy alloys via solute-promoted chemical heterogeneities. Acta Materialia. 2023, 245, 118662.
2. Zhengxiong Su, Tan Shi, Jinxue Yang, Huahai Shen, Zhiming Li, Sheng Wang*, Guang Ran*, Chenyang Lu*. The effect of interstitial carbon atoms on defect evolution in high entropy alloys under helium irradiation. Acta Materialia. 2022, 233, 117955.
3. Tan Shi, Zhengxiong Su, Jing Li, Chenguang Liu, Jinxue Yang, Xinfu He, Di Yun, Qing Peng*, Chenyang Lu*. Distinct Point defect behaviors in body-centered cubic medium-entropy NbZrTi induced by severe lattice distortion. Acta Materialia. 2022, 229, 117806.
4. Zhengxiong Su, Tan Shi, Huahai Shen, Li Jiang, Lu Wu, Miao Song, Zhiming Li*, Sheng Wang*, Chenyang Lu*. Radiation-assisted chemical short-range order formation in high-entropy alloys. Scripta Materialia. 2022, 212, 114547.
5. Tan Shi, Xi Qiu, Yundi Zhou, Sixin Lyu, Jing Li, Qing Peng, Yong Xin*, Chenyang Lu*. Unconventional energetics of small clusters in BCC high-entropy alloy Nb_0.75ZrTiV_0.5. Journal of Materials Science & Technology. 2022, 146.
6. 張平，蔣麗，楊金學，蘇鉦雄，王建強，施坦，盧晨陽*. 核用難熔高熵合金的研究進展，材料導報。2022，36(14)，22060260.
7. Tan Shi, Penghui Lei, Xu Yan, Jing Li, Yundi Zhou, Yunpeng Wang, Zhengxiong Su,Yankun Dou,Xinfu He, Di Yun, Wen Yang, Chenyang Lu*. Current development of