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西安交大Acta Mater: 中熵合金NbZrTi輻照效應(yīng)研究

2022-04-01 10:47:48 作者：材料人來源：材料人分享至：

一、【導(dǎo)讀】

發(fā)展安全可靠和獨(dú)立自主的核電技術(shù)滿足國家戰(zhàn)略需要，也符合當(dāng)前“碳達(dá)峰”的降碳目標(biāo)。第四代先進(jìn)核反應(yīng)堆在安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面有著獨(dú)特優(yōu)勢，但在溫度、輻照、腐蝕等方面也對核材料提出了更為嚴(yán)苛的要求。由難熔金屬元素構(gòu)成的體心立方結(jié)構(gòu)（BCC）多主元合金（包括中熵合金和高熵合金），擁有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和抗輻照性能，被認(rèn)為是極具潛力的候選材料之一。目前，多主元合金的輻照損傷研究主要集中在面心立方結(jié)構(gòu)（FCC）體系，而晶格畸變程度更高、元素組成也不盡相同的BCC體系依舊有待探索。西安交通大學(xué)盧晨陽教授團(tuán)隊(duì)以NbZrTi中熵合金作為研究對象，通過第一性原理、分子動力學(xué)和輻照實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，探究了NbZrTi獨(dú)特的點(diǎn)缺陷行為對輻照效應(yīng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，由于嚴(yán)重晶格畸變和化學(xué)復(fù)雜性，使得NbZrTi中點(diǎn)缺陷的能量和遷移性質(zhì)與FCC多主元合金有著顯著區(qū)別，對缺陷回復(fù)和生長有著深遠(yuǎn)影響；高溫離子輻照后發(fā)現(xiàn)：相比于純Nb，NbZrTi中輻照缺陷的產(chǎn)生被大幅度抑制，展現(xiàn)了優(yōu)異的抗輻照潛力。相關(guān)工作以“Distinct point defect behaviours in body-centered cubic medium-entropy alloy NbZrTi induced by severe lattice distortion”為題發(fā)表在Acta Materialia上。西安交大施坦助理教授為論文第一作者，中科院力學(xué)所彭慶研究員與西安交大盧晨陽教授為共同通訊作者。

二、【成果簡介】

NbZrTi基難熔高熵合金，如NbZrTiHfTa, NbZrTiHf, NbZrTiMoV等，由于優(yōu)異的力學(xué)性能受到人們的廣泛關(guān)注，研究該合金體系嚴(yán)重晶格畸變效應(yīng)對點(diǎn)缺陷的影響機(jī)制是理解其輻照效應(yīng)的基礎(chǔ)。NbZrTi具有嚴(yán)重的晶格畸變，遠(yuǎn)大于FCC多主元合金，也高于部分BCC多主元合金。首先，如圖1所示，通過聲子色散譜、高溫振動等分析方法得出， NbZrTi完整晶體結(jié)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性，不存在系統(tǒng)性相變趨勢。

通過系統(tǒng)的第一性原理計算發(fā)現(xiàn)，NbZrTi的空位結(jié)構(gòu)由于大幅度結(jié)構(gòu)調(diào)整，形成能顯著降低（見圖2（a-c）），一定比例的空位結(jié)構(gòu)具有不穩(wěn)定性；并且，由于崎嶇的勢能面，空位遷移能也有著極寬的展寬（見圖2（d-f））。較低的空位形成能影響輻照缺陷產(chǎn)生數(shù)量，也將導(dǎo)致平衡空位濃度提高，進(jìn)而影響高溫條件下的輻照腫脹行為；較寬的遷移能壘導(dǎo)致空位容易通過低能壘位置擴(kuò)散，降低等效遷移能，促進(jìn)空位擴(kuò)散。

圖 2 （a）NbZrTi空位形成能；（b）NbZrTi和（c）NiCoFeCrMn中空位結(jié)構(gòu)的調(diào)整幅度；（d）NbZrTi空位遷移能；（e）空位正/反向遷移能；（f）代表性空位遷移路徑。

如圖3所示，NbZrTi的間隙形成能也遠(yuǎn)低于純Nb。部分間隙結(jié)構(gòu)由于嚴(yán)重晶格畸變效應(yīng)，偏離初始間隙位置，擁有較大幅度的結(jié)構(gòu)調(diào)整。由于不同類型間隙偏好不同的朝向，長程一維擴(kuò)散被抑制，從而導(dǎo)致更低的間隙擴(kuò)散速率，促進(jìn)點(diǎn)缺陷復(fù)合。元素比例和短程有序結(jié)構(gòu)（SRO）也將影響間隙遷移，SRO結(jié)構(gòu)有可能使擴(kuò)散空間局域化，從而抑制間隙遷移（見圖4）。

圖 3 （a）NbZrTi間隙形成能；（b）穩(wěn)定間隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生概率；（c）Nb和NbZrTi間隙擴(kuò)散速率；（d）間隙擴(kuò)散軌跡。

圖 4 （a-c）Nb0.4Zr0.4Ti0.2和NbZrTi間隙擴(kuò)散速率對比，（d-f）隨機(jī)固溶結(jié)構(gòu)和短程有序結(jié)構(gòu)NbZrTi擴(kuò)散速率對比。

在3 MeV Fe離子，675 °C，～100 dpa的輻照條件下，純Nb中產(chǎn)生了輻照引起的空洞，但在NbZrTi中未見可觀測的空洞和位錯環(huán)。對比純Nb的腫脹溫度區(qū)間（T/Tm：0.34 - 0.51），NbZrTi在該輻照溫度下（T/Tm：0.48）的腫脹被抑制。NbZrTi中，由于低空位形成能而導(dǎo)致的高平衡空位濃度將有利于空洞在高溫條件下的熱釋放；并且，點(diǎn)缺陷復(fù)合概率的增加也將有助于抑制輻照缺陷的累積。

圖 5 675 °C，～100 dpa 鐵離子輻照下（a-c）純Nb和（d-e）NbZrTi輻照區(qū)剖面STEM-BF圖。

三、【總結(jié)與展望】

綜上所述，NbZrTi中的嚴(yán)重晶格畸變效應(yīng)對點(diǎn)缺陷能量和擴(kuò)散行為有著顯著的影響，可以促進(jìn)點(diǎn)缺陷復(fù)合，并抑制材料在高溫下的輻照腫脹。該研究對于理解BCC多主元合金輻照效應(yīng)以及完善高熵合金輻照損傷理論有著重要參考作用。接下來，對于缺陷團(tuán)簇、輻照過程和缺陷演化過程的模擬計算與機(jī)理分析以及全面的輻照實(shí)驗(yàn)和表征將有利于進(jìn)一步深入理解該類合金的抗輻照性能，為核用方向推進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

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