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西安交大《Acta Materialia》：化學(xué)不均勻性提升高熵合金抗輻照性能

2023-02-07 14:57:21 作者：材料基來源：材料基分享至：

近年來，高熵合金在反應(yīng)堆環(huán)境下的研究得到了迅速發(fā)展，受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。高熵合金中的化學(xué)不均勻性（化學(xué)局域有序和納米尺度的成分起伏）被科研人員認(rèn)為是區(qū)別于傳統(tǒng)合金的一個重要特性，可顯著提高高熵合金的力學(xué)性能，然而化學(xué)不均勻性對輻照缺陷行為的影響至今仍未被深入探索。揭示這種化學(xué)不均勻性如何影響材料的輻照效應(yīng)對先進(jìn)核結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計和開發(fā)有著關(guān)鍵作用，對我國研發(fā)下一代先進(jìn)核能系統(tǒng)有著重要的指導(dǎo)意義。

西安交通大學(xué)盧晨陽教授等人發(fā)現(xiàn)將少量的小間隙C和N原子引入到NiCoFeCrMn合金中，可以使溶質(zhì)周圍的主元素原子形成化學(xué)短程有序（CSRO）, 從而影響輻照缺陷（空位和自間隙原子）的擴(kuò)散路徑和缺陷回復(fù)幾率，進(jìn)而有效地減緩空洞等輻照損傷的產(chǎn)生。這主要是由于輻照產(chǎn)生的弗蘭克爾缺陷（空位和自間隙原子）遷移的空間尺度均在原子級別，這些點缺陷運(yùn)動演化中遭遇異質(zhì)的元素和鍵合時會做出選擇，自主的向能壘最低的方向躍遷，“局部化學(xué)有序”因而會對缺陷行為產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，促進(jìn)殘余缺陷的有效湮滅，從而提高材料的抗輻照性能。相關(guān)成果以題目為：“Enhancing the radiation tolerance of high-entropy alloys via solute-promoted chemical heterogeneities”發(fā)表在金屬材料領(lǐng)域旗艦頂刊《Acta Materialia》。文章的第一作者為西安交大蘇鉦雄博士和丁俊教授，通訊作者為西安交大王盛教授、盧晨陽教授和馬恩教授，文章中的合金樣品由中南大學(xué)李志明教授提供。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422010370

在高熵合金中通過替換或者引入一些原子尺寸大小和電負(fù)性差異較大的元素時，組分的不均勻性會變得更加明顯。本文將少量的小間隙C和N原子引入到NiCoFeCrMn合金中，利用小間隙原子與五種主元元素的化學(xué)親和性各不相同的特點，調(diào)控和增強(qiáng)了合金中的化學(xué)短程有序（CSRO）和化學(xué)成分波動，最終顯著抑制了合金的輻照腫脹行為。通過球差透射電鏡表征了NiCoFeCrMn和NiCoFeCrMn-CN中CSRO的尺寸和面積占比情況，并基于DFT-MC模擬揭示了間隙C/N原子近鄰處的元素分布情況，如圖1所示。該結(jié)果表明C/N間隙原子有效地提高了NiCoFeCrMn合金中CSRO的程度。隨后采用EDS對NiCoFeCrMn和NiCoFeCrMn-CN中的元素波動進(jìn)行了原子尺度分析，發(fā)現(xiàn)C/N間隙原子的引入有效地增強(qiáng)了合金中各個元素的波動程度，如圖2所示。隨后對兩種材料進(jìn)行了高溫離子輻照，如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)間隙C/N原子誘發(fā)的化學(xué)不均勻性顯著地降低了材料的輻照腫脹率。

結(jié)合第一性分子動力學(xué)（DFT-MD）模擬計算分析，如圖4所示，引入小間隙C/N原子后NiCoFeCrMn-CN固溶體的自間隙原子擴(kuò)散速率相比NiCoFeCrMn顯著下降。這主要得益于間隙C/N原子作為溶質(zhì)和誘發(fā)CSRO的雙重作用，這也使得NiCoFeCrMn-CN中的位錯環(huán)尺寸相比NiCoFeCrMn更小，如圖5所示。更為關(guān)鍵的是，C/N間隙原子降低了材料中自間隙原子和空位擴(kuò)散速率的差異，這使得它們有更多的機(jī)會相遇并復(fù)合湮滅，從而推遲空位團(tuán)簇的形核和長大，最終引起材料輻照腫脹率的下降。基于實驗和計算的結(jié)果，如圖6所示，本文提出在高熵合金中利用小間隙原子增強(qiáng)的化學(xué)不均勻性可以有效地促進(jìn)輻照缺陷的湮滅，從而提高材料的抗輻照性能。

圖1. NiCoFeCrMn和NiCoFeCrMn-CN中CSRO的表征和尺寸面積占比統(tǒng)計，以及C/N元素附近的合金元素分布

圖2. NiCoFeCrMn和NiCoFeCrMn-CN的元素波動

圖3. NiCoFeCrMn和NiCoFeCrMn-CN和其他典型合金的輻照腫脹率的對比

圖4. DFT-MD模擬有/無CSRO的NiCoFeCrMn和NiCoFeCrMn-CN中的自間隙原子和空位擴(kuò)散速率

圖5. NiCoFeCrMn和NiCoFeCrMn-CN位錯環(huán)的對比

圖6. 局部化學(xué)短程有序?qū)椪杖毕菅莼挠绊懯疽鈭D

成果啟迪

利用小間隙C/N原子增強(qiáng)高熵合金中的CSRO程度和化學(xué)成分起伏，可以有效地改變輻照缺陷的遷移路徑并提高點缺陷之間的復(fù)合效率，從而顯著地調(diào)控材料的輻照性能，為設(shè)計開發(fā)優(yōu)異的抗輻照合金提供了一個新的思路。

近期，盧晨陽教授團(tuán)隊在高熵合金輻照效應(yīng)方面發(fā)表多篇論文，相關(guān)論文列表如下：

1. Zhengxiong Su，Jun Ding，Miao Song，Li Jiang，Tan Shi，Zhiming Li，Sheng Wang*，Fei Gao，Di Yun，En Ma*，Chenyang Lu*. Enhancing the radiation tolerance of high-entropy alloys via solute-promoted chemical heterogeneities. Acta Materialia. 2023, 245, 118662.
2. Zhengxiong Su, Tan Shi, Jinxue Yang, Huahai Shen, Zhiming Li, Sheng Wang*, Guang Ran*, Chenyang Lu*. The effect of interstitial carbon atoms on defect evolution in high entropy alloys under helium irradiation. Acta Materialia. 2022, 233, 117955.
3. Tan Shi, Zhengxiong Su, Jing Li, Chenguang Liu, Jinxue Yang, Xinfu He, Di Yun, Qing Peng*, Chenyang Lu*. Distinct Point defect behaviors in body-centered cubic medium-entropy NbZrTi induced by severe lattice distortion. Acta Materialia. 2022, 229, 117806.
4. Zhengxiong Su, Tan Shi, Huahai Shen, Li Jiang, Lu Wu, Miao Song, Zhiming Li*, Sheng Wang*, Chenyang Lu*. Radiation-assisted chemical short-range order formation in high-entropy alloys. Scripta Materialia. 2022, 212, 114547.
5. Tan Shi, Xi Qiu, Yundi Zhou, Sixin Lyu, Jing Li, Qing Peng, Yong Xin*, Chenyang Lu*. Unconventional energetics of small clusters in BCC high-entropy alloy Nb_0.75ZrTiV_0.5. Journal of Materials Science & Technology. 2022, 146.
6. 張平，蔣麗，楊金學(xué)，蘇鉦雄，王建強(qiáng)，施坦，盧晨陽*. 核用難熔高熵合金的研究進(jìn)展，材料導(dǎo)報。2022，36(14)，22060260.
7. Tan Shi, Penghui Lei, Xu Yan, Jing Li, Yundi Zhou, Yunpeng Wang, Zhengxiong Su,Yankun Dou,Xinfu He, Di Yun, Wen Yang, Chenyang Lu*. Current development of