西安交大PNAS：化學短程序提升高熵合金抗輻照性能

導讀

近年的研究表明，高（中）熵合金等多主元合金具有比傳統合金更為優異的抗輻照性能,?因而成為潛在的新一類核用結構材料。這類合金有別于傳統合金的一大特征是存在化學短程序（Local Chemical Order, LCO）。然而，人們對LCO如何影響高熵合金的輻照損傷及缺陷演化行為尚不清楚，限制了從成分和結構設計的角度實現高（中）熵合金抗輻照性能的提升。

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成果掠影

針對以上問題，西安交大金屬材料強度國家重點實驗室材料創新設計中心與核科學與技術學院極端環境下先進材料實驗室合作，利用大規模分子動力學模擬，結合原位離子束輻照-透射電鏡表征聯機實驗，對具有代表性的CrCoNi中熵合金的輻照損傷進行了系統的研究，揭示了化學短程序對輻照產生缺陷的演化機理的影響。上述研究成果以“局域化學有序度對CrCoNi中熵合金輻照損傷的影響”（Effect of local chemical order on the irradiation-induced defect evolution in CrCoNi medium-entropy alloy）為題發表于《美國科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）。西安交大金屬材料強度國家重點實驗室和核科學與技術學院為論文通訊單位。西安交大材料學院張真助理教授，核科學與技術學院蘇鉦雄博士后，材料學院博士生張博召為論文共同第一作者。材料學院丁俊教授，核科學與技術學院盧晨陽教授和材料學院馬恩教授為論文共同通訊作者。

數據概覽

實驗研究表明，在較低輻照計量（小于1?dpa）時，LCO對輻照產生的缺陷團簇（尤其是缺陷數密度）有明顯抑制作用（圖1）。分子動力學模擬比較了理想固溶體（RSS）和具有LCO的CrCoNi合金輻照缺陷演化的初級階段，得到的結果和實驗吻合，表明LCO能夠降低輻照后殘存點缺陷數量并抑制較大缺陷團簇的形成（圖2）。研究發現，LCO對點缺陷形成能的影響微弱，但對輻照產生的空位和間隙原子的熱擴散行為有明顯影響。具體而言，LCO使得點缺陷的擴散變得更局域化（即原子熱激活擴散的效率降低）。更關鍵的是，此效應對間隙原子的運動的影響更加顯著（即LCO對間隙原子運動的阻礙比對空位運動更大），從而有效地縮小了二者擴散能力的差距，使得這兩種輻照產生的缺陷有更大的機率復合并湮滅，從而延緩/抑制了空位聚集形成孔洞、以及位錯環的產生，降低了材料輻照損傷。

圖1.?氦離子原位輻照實驗。(A-B)水淬（RSS）和1000℃ 熱處理（LCO）CrCoNi樣品在不同輻照劑量下的透射電鏡圖像。二者所產生的輻照損傷差別明顯。(C-D)?不同輻照劑量下缺陷團簇尺寸和數密度。

圖2.?分子動力學模擬40?keV初級離位原子級聯碰撞后產生缺陷團簇。(A)純Ni，RSS和LCO CrCoNi合金殘存缺陷空間分布。(B)缺陷團簇累積概率隨團簇尺寸的變化。(C-D)缺陷團簇尺寸分布。(E)不同類型位錯線的長度。

圖3.?點缺陷擴散行為。(A)1200?K時，間隙原子和空位的均方位移。(B)擴散系數和激活能。(C)不同輻照溫度時，間隙原子擴散系數和空位擴散系數之間的差值。

核心創新點

此項研究表明了調控化學短程序是提升高（中）熵合金等多主元合金抗輻照性能的一個有效手段。局部化學有序的程度可以通過熱處理（比如本研究采用的中溫時效）來調控，也可以通過引入碳/氮等小間隙原子，以它們對不同主組元元素親合力的差異來產生局部化學有序[該研究成果見團隊近期論文Acta Materialia 245?(2023) 118662]。這一系列工作揭示了化學短程序對輻照產生缺陷的演化的影響及其機理，對設計高性能核用結構合金材料具有重要的指導意義。

該工作得到了國家自然科學基金、科技部重點研發項目、國家級青年人才項目和西安交大青年拔尖人才支持計劃的共同資助，以及西安交大分析測試中心、西安交大高算平臺計算資源、廈門多離子束與透射電鏡聯機原位輻照設施等平臺的支持。

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論文鏈接地址：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2218673120