發展安全可靠和獨立自主的核電技術滿足國家戰略需要，也符合當前“碳達峰”的降碳目標。第四代先進核反應堆在安全性、經濟性等方面有著獨特優勢，但在溫度、輻照、腐蝕等方面也對核材料提出了更為嚴苛的要求。由難熔金屬元素構成的體心立方結構（BCC）多主元合金（包括中熵合金和高熵合金），擁有優異的高溫力學性能和抗輻照性能，被認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構（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。西安交通大學盧晨陽教授團隊以NbZrTi中熵合金作為研究對象，通過第一性原理、分子動力學和輻照實驗相結合的研究方法，探究了NbZrTi獨特的點缺陷行為對輻照效應的影響。研究發現，由于嚴重晶格畸變和化學復雜性，使得NbZrTi中點缺陷的能量和遷移性質與FCC多主元合金有著顯著區別，對缺陷回復和生長有著深遠影響；高溫離子輻照后發現：相比于純Nb，NbZrTi中輻照缺陷的產生被大幅度抑制，展現了優異的抗輻照潛力。相關工作以“Distinct point defect behaviours in body-centered cubic medium-entropy alloy NbZrTi induced by severe lattice distortion”為題發表在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，由于優異的力學性能受到人們的廣泛關注，研究該合金體系嚴重晶格畸變效應對點缺陷的影響機制是理解其輻照效應的基礎。NbZrTi具有嚴重的晶格畸變，遠大于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完整晶體結構具有較高的穩定性，不存在系統性相變趨勢。

通過系統的第一性原理計算發現，NbZrTi的空位結構由于大幅度結構調整，形成能顯著降低（見圖2（a-c）），一定比例的空位結構具有不穩定性；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生數量，也將導致平衡空位濃度提高，進而影響高溫條件下的輻照腫脹行為；較寬的遷移能壘導致空位容易通過低能壘位置擴散，降低等效遷移能，促進空位擴散。

圖 2 （a）NbZrTi空位形成能；（b）NbZrTi和（c）NiCoFeCrMn中空位結構的調整幅度；（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的間隙形成能也遠低于純Nb。部分間隙結構由于嚴重晶格畸變效應，偏離初始間隙位置，擁有較大幅度的結構調整。由于不同類型間隙偏好不同的朝向，長程一維擴散被抑制，從而導致更低的間隙擴散速率，促進點缺陷復合。元素比例和短程有序結構（SRO）也將影響間隙遷移，SRO結構有可能使擴散空間局域化，從而抑制間隙遷移（見圖4）。

圖 3 （a）NbZrTi間隙形成能；（b）穩定間隙結構產生概率；（c）Nb和NbZrTi間隙擴散速率；（d）間隙擴散軌跡。

圖 4 (a-c)Nb0.4Zr0.4Ti0.2和NbZrTi間隙擴散速率對比，（d-f）隨機固溶結構和短程有序結構NbZrTi擴散速率對比。

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。對比純Nb的腫脹溫度區間（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，點缺陷復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輻照區剖面STEM-BF圖。

三、【總結與展望】

綜上所述，NbZrTi中的嚴重晶格畸變效應對點缺陷能量和擴散行為有著顯著的影響，可以促進點缺陷復合，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，對于缺陷團簇、輻照過程和缺陷演化過程的模擬計算與機理分析以及全面的輻照實驗和表征將有利于進一步深入理解該類合金的抗輻照性能，為核用方向推進奠定基礎。