Nature子刊：多元單相合金通過改變缺陷的移動和遷移路徑增強耐輻射性

【引言】

多元單相固溶合金（SP-CSA）材料是由兩個至五個主要元素以等摩爾比或接近等摩爾比組成簡單面心立方（fcc）或簡單體心立方（bcc ）結構。與常規合金相比，SP-CSA材料中的合金元素在原子水平上的隨機排列以及原子周圍復雜的結構環境導致其與傳統合金相比表現出非凡的性能，例如高熱穩定性、高強質比、高溫強度及優異的耐腐蝕性等。文中通過研究SP-CSA材料在高溫和高輻照劑量的條件下其缺陷簇分布及運動情況，得出增強材料耐輻射性的新機制。

【成果簡介】

近日，美國密西根大學核工程與放射科學系盧晨陽（第一作者）及王魯閩教授（通訊作者）等人在高溫條件下對鎳和含鎳的多組分單相合金（SP-CSA）材料進行高能輻照。通過TEM觀察材料輻照后的截面形貌，發現SP-CSA材料輻照后空隙小。此外用分子動力學模擬對比分析其缺陷簇運動情況，發現導致SP-CSA材料耐輻射性高的原因是其內部結構導致缺陷簇的運動方式由長程一維轉變為短程三維模式。這種運功方式可以增加缺陷的復合，增強材料的耐輻照能力。該成果以“Enhancing radiation tolerance by controlling defect mobility and migration pathways in multicomponent single-phase alloys”為題于2016年12月15日發表在期刊Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖1.輻照空位分布圖

（a）Ni，NiCo, NiFe 和 NiCoFeCr?在1.5MeVNi⁺ /?3 × 1015?cm² 在773?K輻照條件下的橫斷面TEM圖(比例尺為50nm)。從圖a可看出，NiFe和NiCoFeCr中空隙比Ni和NiCo小得多，表明其有著相對高得多的膨脹阻力。

（b）Ni，NiCo, NiFe 和 NiCoFeCr?在3MeVNi⁺ /?3 × 1015?cm²在773?K輻照條件下的橫斷面TEM圖(比例尺為50nm)。從圖b可看出，NiCoFe和NiCoFeCrMn中的空隙分布與NiFe類似但空隙更小。并有六種材料的溶脹阻力按Ni < NiCo <NiFe ≤ NiCoFeCr < NiCoFe ≤ NiCoFeCrMn的順序依次增大。

圖2.鎳和含鎳多元單相合金的空隙 – 位錯環分布

（a）Ni，NiCo, NiFe 和 NiCoFeCr?在1.5MeVNi⁺ /?3 × 1015cm² 在773?K輻照條件下的橫斷面TEM圖(比例尺為50nm)。從圖（a）可看出，在Ni和NiCo中。比空隙位置更深處，出現了網狀位錯，包括長位錯線和更大的位錯環；在 NiFe 和 NiCoFeCr中，表現出相反的缺陷簇分布，較大的位錯環分布在試樣表面，并延伸至距離表面600nm處。

（b）Ni，NiCo, NiFe 和 NiCoFeCr?在1.5MeVNi⁺ /?3 × 1015cm² 在773?K輻照條件下的橫斷面TEM圖(比例尺為50nm)。從圖b可看出，在NiFe和NiCoFeCr中，在離表面比位錯環更遠的地方出現了更高密度的更小空隙，且有著與（a）相似的位錯和孔隙分布狀態。

（c）NiCoFeCr的高分辨率的STEM高角環形暗場像(比例尺, 2?nm)。

表1.遷移能壘的E_M和點缺陷指數前因子D₀

該表為Ni和NiFe兩物質在不同缺陷簇狀態條件下的遷移能壘EM以及點缺陷指數前因子D0。從中可以看出，相同條件下，單間隙的NiFe的遷移能壘EM比Ni更高，這歸因于鎳和鐵在原子尺寸上的差異以及結構畸變。另外NiFe中隨間隙缺陷簇尺寸的增加，其遷移能也隨之增加，而在Ni中對應關系則較為獨立。

圖3.在離子輻照下一維和三維間隙缺陷簇運動模擬圖

（a）Ni和NiCo中間隙缺陷蔟沿滑移園柱快速遷移一維示意圖。

（b）Ni和NiCo中由（a）結果得出的缺陷演化和分布示意圖。綜合圖(a)(b)可知，缺陷簇在純鎳中以一維運動方式沿著滑動圓柱遷移，一部分缺陷簇從空隙區域快速移動到表面，一小部分間隙簇則遷移到更深的區域形成更復雜的位錯網。

（c）NiFe四間隙簇滑移軌跡的分子動力學模擬的三維遷移模型。

（d）NiFe, NiCoFe, NiCoFeCr 和 NiCoFeCrMn 試樣由（c）結果得出的缺陷演化和分布示意圖。

圖4. 間隙缺陷簇的原位TEM觀察

（a）Ni 在800K下的遷移軌跡。可以看到此時在Ni中間隙缺陷簇只沿一個方向遷移〈110〉?。

（b）NiCo在1200K下的遷移軌跡。可以看到此時在NiCo中間隙缺陷簇也主要沿〈110〉?方向遷移，但其在〈110〉?方向上的遷移距離比圖（c）中NiFe的更長，但其只發生一次方向改變，20ns內平均路程為?3?nm?。

（c）NiFe在1,200?K下的遷移軌跡。此時其間隙缺陷簇也主要沿〈110〉?方向遷移，且其在〈110〉?方向上的遷移距離比NiFe的更短，但其卻發生了6次方向改變，20ns內平均路程（1?nm）則比NiCo小?。由于越短的一維遷移路程以及更大的變向頻率越有利于三維遷移行為，因此，這一不同的間隙缺陷簇遷移行為或許可以解釋NiCo和NiFe合金間的空隙分布以及溶脹阻力差異問題。

圖5. Ni和NiCo中的間隙缺陷簇的一維滑移的TEM圖

（a）Ni中位錯環的初始位置的原位TEM形貌（標尺20nm）。

（b）Ni中位錯環的最終位置的原位TEM形貌。

（c）Ni中初始和最終位置疊加后對應區域的原位TEM形貌。

（d）NiCo中初始位置的原位TEM形貌。

（e）NiCo中最終位置的原位TEM形貌。

（f）NiCo中初始和最終位置后對應區域的原位TEM形貌。

【小結】

本文通過對Ni及含Ni多元單相合金（SP-CSAs）的實際輻照實驗和模擬工作表明：增加固溶體合金的組分的復雜性可以降低材料缺陷遷移以及改變遷移路徑，以此來促進輻射損傷的湮滅，進而增強材料的耐輻射性性能。其具體作用機制為復雜的合金組分的引入導致間隙缺陷簇的運動方式由長程一維轉變為短程三維模式。這種運功方式可以顯著增加間隙缺陷的復合，從而防止大的空洞腫脹在這些多元單相合金的形成來提高抗輻照性能。并且，通過調整固溶體合金組分復雜性的這一方法也將會對未來新一代耐輻照性能材料的開發具有重要意義。

文獻鏈接：Enhancing radiation tolerance by controlling defect mobility and migration pathways in multicomponent single-phase alloys（Nat. Commun., 2016，doi:10.1038/ncomms13564）

該文獻由材料人編輯部金屬材料學術組材料牛彭黃濤整理編譯。

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