世界對清潔能源的需求不斷增加，需要加速開發用于先進Gen-IV核反應堆的新材料，其中材料被設計為面對溫度升高、輻射通量更強和腐蝕性冷卻劑等更惡劣的環境。由多種主元素組成的高熵合金（HEA）最近引起了廣泛的關注，因為它們與傳統合金相比具有許多優越的性能，例如優異的機械性能，耐腐蝕性，以及令人振奮的耐輻照性，顯示出作為先進核能系統結構材料的巨大潛力。

引入高密度的缺陷匯可以有效減輕損傷積累，增強材料的輻照耐受性這已廣泛應用于許多傳統材料，例如納米晶粒和多納米層材料，納米多孔材料和氧化物分散強化鋼。相比之下，單相高熵合金提供了一種減少缺陷損傷的新方法，因為它們獨特的缺陷演變是由化學復雜性和局部晶格畸變引起的。 具體而言，早期的實驗和模擬研究表明，高熵合金增加的組成復雜性可以有效降低間質流動性并增強空位-間質重組，從而提高抗膨脹性和延遲位錯環生長。在Ni²⁺-在500°C下照射。結果表明，隨著組成復雜度從NiFe、NiCoFe、NiCoFeCr到NiCoFeCrMn的增加，斷層位錯環向全位錯環的轉變可以得到抑制[20]。研究了在400°C下用高能電子照射的FeCoCrNi HEA的缺陷結構，發現FeCoCrNi HEA中位錯環的生長速度比純Ni慢40倍。

盡管在一些單相高熵合金上已經證明了良好的耐輻照性，特別是鎳濃縮高熵合金，但它們的大部分強度在先進核反應堆可能遇到的高溫下并不令人滿意。最近，高熵合金通過L12加強納米粒子因其優越的室溫和高溫力學性能而受到越來越多的關注。Yang等人設計了具有高密度納米尺寸L1₂的新型高熵合金顆粒通過精細的成分和微觀結構調整。由此產生的高熵合金表現出優異的機械性能組合，即與單相高熵合金相比，增強至GPa強度，延展性甚至更高。

我們最近證明，含Nb的L1₂-強化高熵合金可以在高達870°C的溫度下保持高強度，優于大多數高熵合金和許多商業高溫合金。更重要的是，Du等人展示了金屬材料中高密度超晶格納米沉淀物。例如，Fe 中的B2納米顆粒的可逆和快速局部無序有序轉變。Fe₇₅Ni₁₈Al₃Mo₄在高溫下的重離子輻照下。這樣的動態過程可以有效地消除涉及輻射的損傷，從而產生極高的輻照耐受性。然而，對那些具有吸引力機械性能的高熵合金的輻照響應的研究仍然相當有限。

除了優異的機械性能外，L1₂-強化高熵酸在提高耐輻照性方面顯示出令人鼓舞的跡象。一方面，面心立方（FCC）基體可以在一定程度上保持化學復雜性（固溶相）的優勢，以改善輻照。另一方面，L1₂納米顆粒可以進一步作為潛在的缺陷匯，以減少結構損傷，從而提高耐輻射性。特別是，這些顆粒可能潛在地提供He捕獲和氣泡成核位點，從而減輕氦氣積聚以及相關的對膨脹，硬化和脆化機械性能的不利影響。氦誘導的機械性能退化是先進裂變和擬議聚變能系統最艱巨和最重要的挑戰之一。因此，He輻照L12-的輻照性能在高溫下強化高熵合金具有極大的興趣和技術，遠未被開發。

哈爾濱工業大學（深圳）趙怡璐教授團隊對此進行了研究，一種L1₂強化的HEA，其標稱成分為Ni₃₀Co₃₀Fe₁₃Cr15Al₆Ti₆(at.%，以下記為Al₆Ti₆)在500℃下進行氦輻照。參考文獻描述了材料的初始結構和詳細的熱力過程。L1₂相的體積分數約為37.3%，平均粒徑為29±5 nm。系統地評價了輻照反應包括氣泡形成、結構損傷、輻射誘導偏析(RIS)和相穩定性。進一步討論了L12納米粒子對He包封的影響。

相關研究成果以題為“Enhanced helium ion irradiation tolerance in a Fe-Co-Ni-Cr-Al-Ti high-entropy alloy with L12 nanoparticles”發表在期刊Journal of Materials Science & Technology上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030222008180

圖1

圖 1. （a）預測的氦濃度和輻照劑量的深度依賴性分布。（b）在500°C下照射的Al6Ti6HEA橫截面TEM樣品的相應明場TEM圖像。（c）在聚焦不足條件下所需的代表性放大視圖，顯示500-700nm照射深度下He氣泡的分布。（d）高峰期氣泡的大小分布

如圖2（a）中的黃色箭頭所示。進一步應用相對桿暗場（DF）TEM圖像表征故障環的分布，其中可以清楚地觀察到故障位錯環的強深度依賴性分布，即故障位錯環的數量密度從樣品表面增加到輻照影響區域。有趣的是，有一個強大的應變場，其特征在于納米氣泡周圍的暗環對比（由紅色箭頭突出顯示）。這種暗環對比度隨傾斜條件而變化，并且與焦點條件無關。一個典型的例子如圖2（a）的右列所示。上方兩張具有菲涅耳對比度（聚焦不足和過度聚焦）的TEM圖像顯示了納米氣泡的位置。顯然，納米氣泡的周圍區域在相應的弱光束暗場圖像中被啟發，因為應變場在布拉格條件下導致該區域。這可能是由于氣泡內部的高壓或基體和偏析區域之間由偏析引起的晶格不匹配。這種過壓氣泡可能導致空位捕獲氣泡的偏差，從而影響RIS行為。

圖2

代表性（a）高爐透射電鏡圖像顯示了He離子輻照Al6Ti6 HEA中的許多斷層位錯環。具有聚焦不足、過度聚焦的放大視圖以及右列上相應的弱光束暗場圖像，展示了納米氣泡周圍的應變場。（b）顯示故障回路的Relrod DF-TEM圖像。

為了揭示在500℃He離子輻照下Al6Ti6 HEA的相穩定性，采用透射電鏡(TEM)和APT聯合分析方法研究了輻照后有序L1₂納米顆粒的分布。圖3顯示了從不同輻照劑量區域獲得的L12納米顆粒的代表性DF-TEM圖像，并顯示了底部柱所示的< 112 >區域軸上的相應選定區域衍射圖(SADPs)。所示劑量值來自于SRIM計算，即∼0.2 dpa代表表面附近區域，∼1.6 dpa對應500 ~ 700 nm深度的峰值損傷區域。0 dpa區域的特征，無論是DF-TEM圖像還是SADP，都取自1.5 μ m以上的深度區域，其中涉及到微觀結構的熱效應而不是輻照效應。結果清楚地表明，隨著劑量水平的增加，有序的L12納米顆粒逐漸收縮，再加上SADPs中逐漸暗淡的超晶格衍射點(用黃色虛線圈表示)，表明有序的納米顆粒在輻照下趨于溶解。此外，超晶格與基反射強度的相對比值，如I110/I220，與L1₂有序晶體的有序參數(S)有近似關系，即S2 I110/I220。為了進一步驗證，通過Gatan數字顯微攝影軟件測量了R(I110/I220)的強度曲線。結果顯示，R0 > R0.2 > R1.6，其中下標表示劑量水平。強度比再次逐漸減小，表明有序納米顆粒溶解導致有序度降低。換句話說，輻照誘導的有序納米顆粒的無序發生在目前的HEA。

圖3

圖3 展示L1演變的DF-TEM圖像2降水隨損壞程度的變化而變化。沿〈112〉區域軸的相應SADP顯示在底部列中。

圖4（a）重建了從峰值損傷區域獲取的典型APT針。使用40 at.% Ti + Ni（綠色）的等值面來描繪有序的納米顆粒。有趣的是，盡管納米顆粒略有扭曲，但在FCC基質內部明顯觀察到許多富含Al和Ni（半徑約1nm）的細簇，由28 at.%Al+Ni（藍色）的等值面突出顯示。得到的L1₂的化學組成納米顆粒和FCC基質與Yang等人報告的原始樣品相同。在未輻照區域找不到團簇，證明了本合金的高熱穩定性。

圖4

圖 4.（a）從峰損傷區域對APT針進行3D重建。使用40%Ti + Ni（綠色）的等值面描繪輻照后的有序納米顆粒，而28%Al+Ni（藍色）的等值面表示輻照誘導的納米團簇在基體中的再沉淀。（b）相應的化學概況分別列于（b）和（c）中。

圖5

圖 5.未照射區域下的典型APT重建以及跨基質/沉淀物相間邊界的相應化學剖向。

圖 6.STEM-HAADF圖像顯示了He植入峰處深色對比度的He氣泡分布。單個元素的EDS映射顯示了He氣泡在沉淀物/基質界面處的優先捕獲（由紅色虛線圓圈突出顯示）。L1內部形成的氣泡2粒子用藍色虛線圓圈標記。

圖7.相關TEM/APT研究顯示輻照Al6Ti6峰損傷區域中氦氣泡的位置。（a） APT尖端的對焦高爐-TEM圖像。（b）相應的低焦高爐-透射電鏡圖像。（c）和（d）分別顯示Ni和Co濃度圖的2D投影，顯示了氣泡周圍的偏析行為。APT切片的厚度為2納米。氣泡的示例由（d）中的紅色虛線圓圈表示。沿（c）和（d）中箭頭標記的方向的成分剖面分別顯示了垂直于SF平面（e）和穿過氣泡（f）的元素的定量分布。

圖 8.在輻照的 Al6Ti6 HEA 的峰損傷區域中 ATP 切片（厚度為 2 nm）的各個元素的 2D 投影，顯示了輻照下的化學再分布。

L1的結構損傷、輻射誘導偏析和相穩定性已仔細評估沉淀物。在氦輻照高熵中發現了許多尺寸相當大的斷層位錯回路，表明與其他單相高熵合金一樣，環路生長延遲。TEM和APT的組合表征表明，與單相FeCoNiCr高熵燒相比，目前的L12-加強HEA，暗示L1的存在2納米沉淀物可以延緩氣泡生長，進而促進增強的耐輻照性。進一步的結果表明，隨著通道寬度變小，相干沉淀物/基質界面表現出良好的He原子捕獲效率，有助于減輕輻射損傷，減小氣泡尺寸。L1的 RIS2通過APT分析定量檢查了He離子照射下的強化Al6Ti6 HEA。結果表明，He氣泡周圍存在強烈的Co偏析和Ni消耗，這可能是由于逆Kirkendall機制造成的。動態析出物發生溶解和再沉淀，以保持L12的有益微觀結構沉淀物和化學復合物FCC基質，顯示出可持續的耐輻照性的潛在“自愈效應”。