北大和北科大強強聯手，在Nature大子刊發表重量級成果

1. 導讀

在核反應堆服役的材料要經受非常嚴苛的環境，這不可避免的會導致材料結構完整性和力學性能的退化，例如宏觀孔洞膨脹、輻射硬化和脆化。設計出在這種嚴苛條件下能夠幸存的材料對于延長反應堆壽命，促進核聚變和先進核裂變反應堆的發展非常重要，但卻一直充滿挑戰。能夠在高溫下維持高輻射劑量的材料是下一代裂變和未來聚變能所必需的。迄今為止，即使是最有前途的結構材料也不能承受輻射環境要求，因為不可逆的輻射將驅動微觀結構退化。

輻射引起的材料退化通常是由于過多的間隙和空位的產生和隨后的聚集造成的。其中，空穴膨脹是高溫下高劑量輻射對材料的關鍵輻射降解效應之一，通常涉及空位的形成和逐漸聚集。抗空洞膨脹能力的增強通常歸因于高比例的失配界面，其可以逮捕輻射引起的間隙和空位。本文提出的策略依賴于不匹配的界面來捕獲缺陷，而是利用完全共格的金屬間化合物納米沉淀物(NPs)的快速躍遷動力學來增強輻射耐受性，NPs的循環無序-有序過程有效地湮滅了缺陷，大大提高了耐輻射性。

2. 成果掠影

近日，北京科技大學呂昭平教授團隊，北京大學付恩剛教授團隊強強合作，報道了一種與常理相反的策略，利用納米低錯配共格沉淀馬氏體時效鋼，發明了一種新的耐輻射機制，大幅度提高了合金的抗輻射能力。本工作受限在馬氏體時效鋼中引入的超晶格納米沉淀物，這種結構的殊勝之處是在納米沉淀物附近可誘導結構可逆的局部無序-有序轉變。研究表明：在含有高密度B2有序超晶格的馬氏體鋼中，即使在400-600°C的超高劑量輻射損傷后，也沒有檢測到空洞膨脹。在高度飽和的基體中，低錯配超晶格的重新有序過程發生在快速的無序化之后。這樣，通過輻射誘發的點缺陷和過剩溶質的會發生短程重新有序。這一動態過程穩定了微觀結構，不斷促進原位缺陷復合，并有效地阻止了長程擴散過程。從而大幅度提高了材料的耐輻射性能。該策略可應用于其他材料，為開發高耐輻射材料鋪平了道路。相關成果以“Superior radiation tolerance via reversible disordering–ordering transition of coherent superlattices”為題發表在材料學頂級期刊《Nature Materials》上.

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01260-y.pdf

3.核心創新點

(1) 發明了一種大幅度提高抗輻照性能的新機制—可逆無序化-有序化轉變；

（2）提供了這一種合成耐輻照材料的新途徑；

4. 數據瀏覽

圖1 含高密度Ni(Al,Fe) NPs的超晶格鋼具有優良的輻射耐受性。b和c的比較表明，超晶格鋼的抗空隙膨脹性能比9Cr ODS鋼強得多；a. 與傳統奧氏體鋼、鐵素體馬氏體鋼和ODS鋼相比，超晶格鋼中的空隙膨脹現象更為明顯，插圖(虛線矩形框的放大視圖)顯示，與幾種典型的ODS鋼相比，超晶格鋼呈現零空洞膨脹；b. 500℃時，超晶格鋼在2350 dpa后條件下輻射損傷后的TEM顯微圖，未見空洞產生；c. 500℃時，9Cr ODS鋼在840 dpa后條件下輻射損傷后的TEM顯微圖，觀察到大量空洞。

圖2 離子輻照下超晶格鋼的組織演變；a,b，超晶格鋼在500℃0 dpa (a)和840 dpa (b)下的HAADF-STEM圖像；c,d，高分辨率HAADF-STEM圖像顯示了NPs和富溶質區域之間的原子結構差異；e, APT表征的NPs在離子輻照過程中的演化，主要通過50at%Al和Ni等濃度表面顯示和強調；f,g，距離直方圖顯示了所選沉淀(f)和溶質富集區域(g)的成分輪廓，其中誤差條是均值的標準偏差；h, HAADF-STEM圖像顯示了500°C/840 dpa輻照后位錯環的存在；i，高分辨率HAADF-STEM圖像，顯示位錯環附近存在NPs，以及相應的FFT結果(右藍紅框)；j, HAADF圖像顯示一個“愈合”的a/2<100>位錯環遠離析出物；k,l，對應Ni (k)和Al (l)的EDS面掃。

圖3 超晶格鋼中NPs的輻射誘導溶解機理；a-c，來自APT數據集的亞體積(7 nm × 7 nm × 1 nm)，顯示了室溫下離子輻照前后NPs的成分演變。d,e，近距離直方圖顯示了離子輻照前后NPs中Ni (d)和Al (e)的成分分布。誤差條是均值的標準偏差。

圖4 時效過程中NPs的快速形成動力學；a，同步XRD結果顯示，在500°C時效過程中，隨著時間的推移形成了NPs。b, x射線衍射譜放大圖顯示在500°C時效過程中B2的峰變寬；c，對應的峰強比表明NPs的析出速度非常快。其中I^t 100、I^f 100、I^t 200和I^f 200分別表示t時刻(100)和末態(200)的峰值強度。d、對該鋼在500℃時效3 h(即超晶格鋼的平衡態處理)、500℃時效10 min和500℃840 dpa輻射三種不同條件下的APT分析得到的B2相組成。e，在500℃下時效10分鐘的鋼溶質的APT表征，顯示以卡其色標記的選定NPs的成分分布圖的鄰近直方圖(右)。誤差條是均值的標準偏差。

圖5 超晶格鋼中NPs的無序和重新有序過程隨時間的函數示意圖. a-d、Fe、Ni和Al原子分別用灰色、綠色和紅色的球標記

圖6 當前策略在fcc Fe35.8Ni37.6Cr22.9Ti1.7Al2 (wt.%) MEA中的應用；a, TEM圖像顯示了所設計的fcc合金的NPs。插圖為相應的SAED，顯示了NPs的有序結構；b - d，沿{110}區拍攝的TEM圖像顯示了設計的fcc合金在400°C (b)、500°C (C)和600°C (d)的100 dpa輻射后的NPs。e，高分辨率的STEM圖像，顯示了設計的fcc合金在600℃下經過100 dpa輻射后的NP組織，其中一個典型的NP用紅圈表示；f，重建三維APT數據集，并分析在600℃下經歷不同劑量輻射損傷的NPs的成分。NPs的重點是包含超過80%的Ni、Al和Ti的區域；g，對應的接近直方圖顯示了通過卡其色指示的選定NPs的組成概況.

5.成果啟迪

本文提出的有序-無序化機制是提高核材料抗輻照性能的新機制，具有非常重要的科學意義和工程價值。為抗輻照材料的微觀結構設計提供了一條新思路。

本文由虛谷納物供稿。