01   全文速覽

在這項(xiàng)工作中，我們通過混合分子動(dòng)力學(xué)(MD)和蒙特卡羅(MC)模擬闡明了CrFeNi合金中局域化學(xué)有序（LCOs）的形成及其對(duì)輻照損傷行為的影響。通過模擬1000次累積級(jí)聯(lián)過程，我們發(fā)現(xiàn)有序構(gòu)型中缺陷團(tuán)簇和位錯(cuò)環(huán)的尺寸比隨機(jī)構(gòu)型中的小，盡管前者形成了更多的Frenkel對(duì)（即自間隙和空位）。此外，位錯(cuò)環(huán)在有序構(gòu)型中分布相對(duì)彌散，與輻照腫脹相關(guān)的壓桿位錯(cuò)也更少。從原子鍵合、遷移路徑和缺陷擴(kuò)散能量等方面討論了LCOs對(duì)缺陷形成和演化以及抗輻照性能的影響，這為設(shè)計(jì)具有優(yōu)異抗輻照性能的多主元合金提供了理論指導(dǎo)。

02   研究背景

多主元合金（MPEAs），包括高熵合金，由于其優(yōu)異的抗輻照性能成為潛在核材料而備受關(guān)注。MPEAs最初被認(rèn)為是一種隨機(jī)固溶體，在晶格位置上具有均勻分布的不同原子種類。然而，最近越來越多的研究表明其存在局域化學(xué)有序（LCOs）。LCOs對(duì)MPEA性能的影響，特別是對(duì)力學(xué)性能的影響，已成為研究熱點(diǎn)。研究表明LCOs可以顯著改變位錯(cuò)密度及其分布，從而改變材料的強(qiáng)度和塑性。局域化學(xué)有序的有序程度對(duì)加載時(shí)MPEA中缺陷的形成和演化有關(guān)鍵作用，例如改變位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的堆垛層錯(cuò)能和局域能量勢(shì)壘。由此可見，局域化學(xué)有序必然與輻照過程中原子級(jí)聯(lián)碰撞下的缺陷形成和演化有密切關(guān)系。因此，研究LCOs對(duì)輻照損傷的影響具有重要意義。本文詳細(xì)研究了LCOs對(duì)輻照缺陷產(chǎn)生和演化以及位錯(cuò)環(huán)形核和長大的影響，探討了其增強(qiáng)MPEA抗輻照性能的潛在機(jī)制。

03   本文亮點(diǎn)

（1）LCOs會(huì)促使輻照過程中位錯(cuò)在有序區(qū)域形核，但抑制了位錯(cuò)長大。

（2）LCOs可抑制與層錯(cuò)四面體(SFT)相關(guān)的壓桿位錯(cuò)形成，這可能有助于抑制輻照腫脹。

（3）LCOs有助于提高多主元合金的抗輻照性能。

04   圖文解析

圖1 (a)MC交換過程中的勢(shì)能演變及隨機(jī)/有序構(gòu)型原子圖像 (b)隨機(jī)/有序構(gòu)型對(duì)應(yīng)的Warren–Cowly (WC)參數(shù)

圖2 隨機(jī)/有序CrFeNi構(gòu)型中點(diǎn)缺陷數(shù)目隨級(jí)聯(lián)次數(shù)/dpa的變化

利用蒙特卡洛(MC)方法進(jìn)行原子交換以獲得含有局域化學(xué)有序的有序構(gòu)型，并記錄隨機(jī)構(gòu)型向有序構(gòu)型轉(zhuǎn)變過程中的能量變化。通過Warren–Cowly (WC)參數(shù)計(jì)算確認(rèn)CrFeNi多主元合金中存在由富Cr團(tuán)簇和Ni-Fe短程序組成的化學(xué)有序。將兩種構(gòu)型進(jìn)行1000次累積級(jí)聯(lián)碰撞模擬，記錄下Frenkel缺陷對(duì)隨級(jí)聯(lián)次數(shù)的變化。

圖3 不同級(jí)聯(lián)次數(shù)下(100、300、500、800、1000)，隨機(jī)/有序樣品中點(diǎn)缺陷的空間分布 綠色小球代表間隙原子，藍(lán)色小球代表空位原子

圖4 隨機(jī)/有序樣品在不同級(jí)聯(lián)次數(shù)之后點(diǎn)缺陷團(tuán)簇(單個(gè)點(diǎn)缺陷/小團(tuán)簇/中團(tuán)簇/大團(tuán)簇)的演變規(guī)律。（a-d）為間隙團(tuán)簇，而（e-h）為空位團(tuán)簇

圖5 最大團(tuán)簇尺寸隨級(jí)聯(lián)次數(shù)的演變曲線。(a) 間隙團(tuán)簇和 (b)空位團(tuán)簇

盡管點(diǎn)缺陷數(shù)目上隨機(jī)構(gòu)型更少，但其間隙相較于有序構(gòu)型分布更加集中，聚集形成大團(tuán)簇的趨勢(shì)更加明顯。在隨機(jī)構(gòu)型中，參與形成大間隙團(tuán)簇（>100間隙）的原子數(shù)量較高，而在有序構(gòu)型中，更多的原子參與形成小間隙團(tuán)簇（2-30間隙）和中間間隙團(tuán)簇（31-100間隙）。在隨機(jī)構(gòu)型中有更多的原子形成大尺寸的空位團(tuán)簇（>30空位），而有序樣品中大空位團(tuán)簇的尺寸不會(huì)隨著級(jí)聯(lián)數(shù)的增加而顯著改變。換言之，LCO有效地抑制了空位團(tuán)簇的生長。200次級(jí)聯(lián)以前，最大間隙團(tuán)簇尺寸幾乎沒有差異。在200次累積級(jí)聯(lián)后，差異變得明顯。經(jīng)過1000次級(jí)聯(lián)，隨機(jī)構(gòu)型中最大間隙團(tuán)簇尺寸近乎于有序構(gòu)型的兩倍。與間隙團(tuán)簇相比，最大空位團(tuán)簇的尺寸差異相對(duì)較小，因?yàn)榭瘴桓y聚集。然而，隨機(jī)構(gòu)型中最大的空位團(tuán)簇的尺寸仍然顯著大于有序構(gòu)型。這些結(jié)果表明，LCOs的存在有利于抑制間隙和空位的聚集長大。

圖6 不同級(jí)聯(lián)次數(shù)后(100、300、500、800、1000)，隨機(jī)/有序樣品中位錯(cuò)的空間分布

圖7 位錯(cuò)線長度隨級(jí)聯(lián)次數(shù)的變化。(a) 所有錯(cuò)位線和 (b) 壓桿錯(cuò)位

有序構(gòu)型中的位錯(cuò)缺陷更多，位錯(cuò)線長度更長，但位錯(cuò)分布較彌散，形成的位錯(cuò)環(huán)尺寸較小。與層錯(cuò)四面體(SFT)相關(guān)的壓桿位錯(cuò)不論總長度還是最大缺陷尺寸在有序構(gòu)型中都更少(小) ，這可能有助于抑制輻照腫脹。以上結(jié)果表明有序構(gòu)型的抗輻照性能可能更加優(yōu)異。

圖8 不同原子類型間隙的原子占比分布。(a) 隨機(jī)構(gòu)型和 (b) 有序構(gòu)型

圖9 隨機(jī)/有序樣品中位錯(cuò)環(huán)的分布及其局域放大圖像

圖10 (a)間隙遷移能和 (b)空位遷移能在隨機(jī)/有序樣品中的分布

有序構(gòu)型中Cr原子的偏聚使有序樣品具有大量的Cr-Cr鍵，其鍵合強(qiáng)度弱于不同元素之間的原子鍵。這種趨勢(shì)使得含LCO樣品中的偏聚Cr原子在輻照下比其他兩種成分更容易形成間隙，亦容易局部結(jié)構(gòu)坍塌充當(dāng)位錯(cuò)環(huán)的形核位置。如圖9中位錯(cuò)環(huán)總是傾向于在有序樣品的Cr偏聚區(qū)域內(nèi)形成，LCO促進(jìn)了位錯(cuò)的形核。然而，LCO的形成會(huì)增加點(diǎn)缺陷的遷移能，使點(diǎn)缺陷擴(kuò)散變得困難。同時(shí)，點(diǎn)缺陷的遷移又會(huì)破壞LCO，從而使缺陷擴(kuò)散在能量上不利。因此，LCO的存在促進(jìn)了輻照過程中位錯(cuò)的形核，卻又抑制了位錯(cuò)的長大。

05   結(jié)論展望

我們研究了CrFeNi-MPEAs中LCOs的形成及其對(duì)輻照誘導(dǎo)缺陷形成和演變的影響。證實(shí)了CrFeNi-MPEA中存在由富Cr團(tuán)簇和Ni-Fe短程序組成的LCOs，這會(huì)導(dǎo)致較低的系統(tǒng)能量和構(gòu)型熵。Cr元素的偏聚使含LCO的樣品具有大量Cr-Cr鍵，其鍵合強(qiáng)度比不同種類的原子鍵弱，使得Cr原子很容易形成間隙，并在輻照過程中充當(dāng)位錯(cuò)環(huán)的形核位置。LCOs的存在導(dǎo)致更高的間隙遷移能和空位遷移能，這使得間隙和空位更難在有序樣品中遷移和聚集，進(jìn)而抑制位錯(cuò)環(huán)的長大。特別是，有序樣品中與層錯(cuò)四面體(SFT)相關(guān)的壓桿位錯(cuò)較少，這可能有助于抑制輻照腫脹。所有這些結(jié)果表明，LCO的存在有助于提高材料的早期抗輻照損傷性能。這些發(fā)現(xiàn)不僅加深了對(duì)于MPEA中原子結(jié)構(gòu)與輻照損傷關(guān)系的理解，也為設(shè)計(jì)具有良好抗輻照性能的MPEA提供了理論依據(jù)。

06   引用本文

L.Q. Liu, X.J. Liu, Q. Du, H. Wang, Y. Wu, S.H. Jiang, Z.P. Lu, Local chemical ordering and its impact on radiation damage behavior of multi-principal element alloys, J.  Mater. Sci. Technol. 135 (2023) 13–25.