01   全文速覽

在這項工作中，我們通過混合分子動力學(MD)和蒙特卡羅(MC)模擬闡明了CrFeNi合金中局域化學有序（LCOs）的形成及其對輻照損傷行為的影響。通過模擬1000次累積級聯過程，我們發現有序構型中缺陷團簇和位錯環的尺寸比隨機構型中的小，盡管前者形成了更多的Frenkel對（即自間隙和空位）。此外，位錯環在有序構型中分布相對彌散，與輻照腫脹相關的壓桿位錯也更少。從原子鍵合、遷移路徑和缺陷擴散能量等方面討論了LCOs對缺陷形成和演化以及抗輻照性能的影響，這為設計具有優異抗輻照性能的多主元合金提供了理論指導。

02   研究背景

多主元合金（MPEAs），包括高熵合金，由于其優異的抗輻照性能成為潛在核材料而備受關注。MPEAs最初被認為是一種隨機固溶體，在晶格位置上具有均勻分布的不同原子種類。然而，最近越來越多的研究表明其存在局域化學有序（LCOs）。LCOs對MPEA性能的影響，特別是對力學性能的影響，已成為研究熱點。研究表明LCOs可以顯著改變位錯密度及其分布，從而改變材料的強度和塑性。局域化學有序的有序程度對加載時MPEA中缺陷的形成和演化有關鍵作用，例如改變位錯運動的堆垛層錯能和局域能量勢壘。由此可見，局域化學有序必然與輻照過程中原子級聯碰撞下的缺陷形成和演化有密切關系。因此，研究LCOs對輻照損傷的影響具有重要意義。本文詳細研究了LCOs對輻照缺陷產生和演化以及位錯環形核和長大的影響，探討了其增強MPEA抗輻照性能的潛在機制。

03   本文亮點

（1）LCOs會促使輻照過程中位錯在有序區域形核，但抑制了位錯長大。

（2）LCOs可抑制與層錯四面體(SFT)相關的壓桿位錯形成，這可能有助于抑制輻照腫脹。

（3）LCOs有助于提高多主元合金的抗輻照性能。

04   圖文解析

圖1 (a)MC交換過程中的勢能演變及隨機/有序構型原子圖像 (b)隨機/有序構型對應的Warren–Cowly (WC)參數

圖2 隨機/有序CrFeNi構型中點缺陷數目隨級聯次數/dpa的變化

利用蒙特卡洛(MC)方法進行原子交換以獲得含有局域化學有序的有序構型，并記錄隨機構型向有序構型轉變過程中的能量變化。通過Warren–Cowly (WC)參數計算確認CrFeNi多主元合金中存在由富Cr團簇和Ni-Fe短程序組成的化學有序。將兩種構型進行1000次累積級聯碰撞模擬，記錄下Frenkel缺陷對隨級聯次數的變化。

圖3 不同級聯次數下(100、300、500、800、1000)，隨機/有序樣品中點缺陷的空間分布 綠色小球代表間隙原子，藍色小球代表空位原子

圖4 隨機/有序樣品在不同級聯次數之后點缺陷團簇(單個點缺陷/小團簇/中團簇/大團簇)的演變規律。（a-d）為間隙團簇，而（e-h）為空位團簇

圖5 最大團簇尺寸隨級聯次數的演變曲線。(a) 間隙團簇和 (b)空位團簇

盡管點缺陷數目上隨機構型更少，但其間隙相較于有序構型分布更加集中，聚集形成大團簇的趨勢更加明顯。在隨機構型中，參與形成大間隙團簇（>100間隙）的原子數量較高，而在有序構型中，更多的原子參與形成小間隙團簇（2-30間隙）和中間間隙團簇（31-100間隙）。在隨機構型中有更多的原子形成大尺寸的空位團簇（>30空位），而有序樣品中大空位團簇的尺寸不會隨著級聯數的增加而顯著改變。換言之，LCO有效地抑制了空位團簇的生長。200次級聯以前，最大間隙團簇尺寸幾乎沒有差異。在200次累積級聯后，差異變得明顯。經過1000次級聯，隨機構型中最大間隙團簇尺寸近乎于有序構型的兩倍。與間隙團簇相比，最大空位團簇的尺寸差異相對較小，因為空位更難聚集。然而，隨機構型中最大的空位團簇的尺寸仍然顯著大于有序構型。這些結果表明，LCOs的存在有利于抑制間隙和空位的聚集長大。

圖6 不同級聯次數后(100、300、500、800、1000)，隨機/有序樣品中位錯的空間分布

圖7 位錯線長度隨級聯次數的變化。(a) 所有錯位線和 (b) 壓桿錯位

有序構型中的位錯缺陷更多，位錯線長度更長，但位錯分布較彌散，形成的位錯環尺寸較小。與層錯四面體(SFT)相關的壓桿位錯不論總長度還是最大缺陷尺寸在有序構型中都更少(小) ，這可能有助于抑制輻照腫脹。以上結果表明有序構型的抗輻照性能可能更加優異。

圖8 不同原子類型間隙的原子占比分布。(a) 隨機構型和 (b) 有序構型

圖9 隨機/有序樣品中位錯環的分布及其局域放大圖像

圖10 (a)間隙遷移能和 (b)空位遷移能在隨機/有序樣品中的分布

有序構型中Cr原子的偏聚使有序樣品具有大量的Cr-Cr鍵，其鍵合強度弱于不同元素之間的原子鍵。這種趨勢使得含LCO樣品中的偏聚Cr原子在輻照下比其他兩種成分更容易形成間隙，亦容易局部結構坍塌充當位錯環的形核位置。如圖9中位錯環總是傾向于在有序樣品的Cr偏聚區域內形成，LCO促進了位錯的形核。然而，LCO的形成會增加點缺陷的遷移能，使點缺陷擴散變得困難。同時，點缺陷的遷移又會破壞LCO，從而使缺陷擴散在能量上不利。因此，LCO的存在促進了輻照過程中位錯的形核，卻又抑制了位錯的長大。

05   結論展望

我們研究了CrFeNi-MPEAs中LCOs的形成及其對輻照誘導缺陷形成和演變的影響。證實了CrFeNi-MPEA中存在由富Cr團簇和Ni-Fe短程序組成的LCOs，這會導致較低的系統能量和構型熵。Cr元素的偏聚使含LCO的樣品具有大量Cr-Cr鍵，其鍵合強度比不同種類的原子鍵弱，使得Cr原子很容易形成間隙，并在輻照過程中充當位錯環的形核位置。LCOs的存在導致更高的間隙遷移能和空位遷移能，這使得間隙和空位更難在有序樣品中遷移和聚集，進而抑制位錯環的長大。特別是，有序樣品中與層錯四面體(SFT)相關的壓桿位錯較少，這可能有助于抑制輻照腫脹。所有這些結果表明，LCO的存在有助于提高材料的早期抗輻照損傷性能。這些發現不僅加深了對于MPEA中原子結構與輻照損傷關系的理解，也為設計具有良好抗輻照性能的MPEA提供了理論依據。

06   引用本文

L.Q. Liu, X.J. Liu, Q. Du, H. Wang, Y. Wu, S.H. Jiang, Z.P. Lu, Local chemical ordering and its impact on radiation damage behavior of multi-principal element alloys, J.  Mater. Sci. Technol. 135 (2023) 13–25.