西安交大《Acta Materialia》：化学不均匀性提升高熵合金抗辐照性能

2023-02-07 14:57:21 作者：材料基来源：材料基分享至：

近年来，高熵合金在反应堆环境下的研究得到了迅速发展，受到了学术界和工业界的广泛关注。高熵合金中的化学不均匀性（化学局域有序和纳米尺度的成分起伏）被科研人员认为是区别于传统合金的一个重要特性，可显著提高高熵合金的力学性能，然而化学不均匀性对辐照缺陷行为的影响至今仍未被深入探索。揭示这种化学不均匀性如何影响材料的辐照效应对先进核结构材料的设计和开发有着关键作用，对我国研发下一代先进核能系统有着重要的指导意义。

西安交通大学卢晨阳教授等人发现将少量的小间隙C和N原子引入到NiCoFeCrMn合金中，可以使溶质周围的主元素原子形成化学短程有序（CSRO）, 从而影响辐照缺陷（空位和自间隙原子）的扩散路径和缺陷回复几率，进而有效地减缓空洞等辐照损伤的产生。这主要是由于辐照产生的弗兰克尔缺陷（空位和自间隙原子）迁移的空间尺度均在原子级別，这些点缺陷运动演化中遭遇异质的元素和键合时会做出选择，自主的向能垒最低的方向跃迁，“局部化学有序”因而会对缺陷行为产生至关重要的影响，促进残余缺陷的有效湮灭，从而提高材料的抗辐照性能。相关成果以题目为：“Enhancing the radiation tolerance of high-entropy alloys via solute-promoted chemical heterogeneities”发表在金属材料领域旗舰顶刊《Acta Materialia》。文章的第一作者为西安交大苏钲雄博士和丁俊教授，通讯作者为西安交大王盛教授、卢晨阳教授和马恩教授，文章中的合金样品由中南大学李志明教授提供。

论文链接：

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

在高熵合金中通过替换或者引入一些原子尺寸大小和电负性差异较大的元素时，组分的不均匀性会变得更加明显。本文将少量的小间隙C和N原子引入到NiCoFeCrMn合金中，利用小间隙原子与五种主元元素的化学亲和性各不相同的特点，调控和增强了合金中的化学短程有序（CSRO）和化学成分波动，最终显著抑制了合金的辐照肿胀行为。通过球差透射电镜表征了NiCoFeCrMn和NiCoFeCrMn-CN中CSRO的尺寸和面积占比情况，并基于DFT-MC模拟揭示了间隙C/N原子近邻处的元素分布情况，如图1所示。该结果表明C/N间隙原子有效地提高了NiCoFeCrMn合金中CSRO的程度。随后采用EDS对NiCoFeCrMn和NiCoFeCrMn-CN中的元素波动进行了原子尺度分析，发现C/N间隙原子的引入有效地增强了合金中各个元素的波动程度，如图2所示。随后对两种材料进行了高温离子辐照，如图3所示，可以发现间隙C/N原子诱发的化学不均匀性显著地降低了材料的辐照肿胀率。

结合第一性分子动力学（DFT-MD）模拟计算分析，如图4所示，引入小间隙C/N原子后NiCoFeCrMn-CN固溶体的自间隙原子扩散速率相比NiCoFeCrMn显著下降。这主要得益于间隙C/N原子作为溶质和诱发CSRO的双重作用，这也使得NiCoFeCrMn-CN中的位错环尺寸相比NiCoFeCrMn更小，如图5所示。更为关键的是，C/N间隙原子降低了材料中自间隙原子和空位扩散速率的差异，这使得它们有更多的机会相遇并复合湮灭，从而推迟空位团簇的形核和长大，最终引起材料辐照肿胀率的下降。基于实验和计算的结果，如图6所示，本文提出在高熵合金中利用小间隙原子增强的化学不均匀性可以有效地促进辐照缺陷的湮灭，从而提高材料的抗辐照性能。

图1. NiCoFeCrMn和NiCoFeCrMn-CN中CSRO的表征和尺寸面积占比统计，以及C/N元素附近的合金元素分布

图2. NiCoFeCrMn和NiCoFeCrMn-CN的元素波动

图3. NiCoFeCrMn和NiCoFeCrMn-CN和其他典型合金的辐照肿胀率的对比

图4. DFT-MD模拟有/无CSRO的NiCoFeCrMn和NiCoFeCrMn-CN中的自间隙原子和空位扩散速率

图5. NiCoFeCrMn和NiCoFeCrMn-CN位错环的对比

图6. 局部化学短程有序对辐照缺陷演化的影响示意图

成果启迪

利用小间隙C/N原子增强高熵合金中的CSRO程度和化学成分起伏，可以有效地改变辐照缺陷的迁移路径并提高点缺陷之间的复合效率，从而显著地调控材料的辐照性能，为设计开发优异的抗辐照合金提供了一个新的思路。

近期，卢晨阳教授团队在高熵合金辐照效应方面发表多篇论文，相关论文列表如下：

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. 张平，蒋丽，杨金学，苏钲雄，王建强，施坦，卢晨阳*. 核用难熔高熵合金的研究进展，材料导报。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