{首页主词},&

重磅！牛津大學在高熵合金領域應發表頂刊前沿綜述《PMS》IF=31.56！

2021-05-12 11:30:50 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

近日，國際材料領域頂級綜述期刊《Progress in Materials Science》發表了牛津大學材料系ZhouranZhang撰寫的長篇綜述論文“The effects of irradiation on CrMnFeCoNi high-entropy alloy and its derivatives”。本文對Cantor合金及其子系統、衍生物和相關常規合金（如奧氏體鋼）的輻照行為進行綜述，對未來的發展趨勢作了總結和評述。

鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642521000311

傳統的合金設計理念是基于一種或兩種元素與其他少數元素的較低濃度混合，以給出一個整體組成，優化各個方面的性能。2004年Cantor等人和Yeh等人同時提出的等原子合金被稱為高熵合金（HEAs）、濃固溶體合金（CSAs）或多主元素合金（MPEAs）并引起了相當大的關注。

在眾多的HEAs研究中，首先提出的和最重要的系統之一是等原子，面心立方（fcc）合金CrMnFeCoNi。這種合金起源于Cantor等人的工作，通常被認為是一種單相固溶體，被稱為“Cantor合金”。人們投入了大量的精力來了解合金的力學行為、耐蝕性、其他固有性能以及最近的輻照響應，使其成為研究最徹底的HEA體系之一。Cantor合金表現出一些有趣和吸引人的力學性能，特別是在低溫下具有高屈服強度（795 MPa）、高極限抗拉強度（1280 MPa）、延展性（70%）和斷裂韌性（219 MPa?m1/2）這一不常見的組合。這些特性可能是由于相對較低的層錯能（使用量子力學第一原理方法計算時約為21 mJ?m- 2，通過x射線衍射測量時約為18.3-27.3mJ?m-2）、溫度敏感的摩擦應力和低溫下納米孿晶廣泛變形的開始造成的。

高熵合金的輻照響應，包括Cantor合金及其子系統的輻照響應，已受到越來越多的關注。通過實驗和計算研究，Cantor合金具有相對較好的抗輻射性能，如空洞腫脹不明顯、缺陷團簇尺寸較小、缺陷生長、遷移和演化受阻等。為了滿足快速增長的全球能源需求，先進的裂變和最終的聚變發電廠的安全、可靠和經濟運行通常被認為是未來低碳能源的一個重要因素。

本文綜述了Cantor合金及其衍生物的抗輻照性能優于傳統的相同元素的稀合金。研究方法通常涉及到輻照類似物（電子、重離子和He）到快中子轟擊。復雜的微觀組織分析和計算集中在單元素，二元合金和相互相關的介質和高熵合金的比較行為。然而，包括缺陷能在內的計算結果大多局限于二元合金，這使得很難將結果推斷到HEAs中。盡管如此，大部分缺陷遷移和形成能的趨勢計算與實驗研究是一致的

640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

在不同影響和室溫條件下，注入3 MeV的Au離子和1.5 MeV的Ni離子時，隨著成分復雜性的增加，誘導損傷降低（圖1a和1b）。在所有輻照樣品中，損傷最嚴重的區域有納米級（2-5 nm）的空位型SFT, Ni、CoNi和FeNi中有平均尺寸分別為7.0、4.3和4.4 nm的間隙型位錯環。如圖1f所示，FeNi和CrNi中的缺陷團簇比Ni中更小。

圖1 （a）和（b）沿（001）方向Rutherford背散射屈服譜作為距離輻照表面的函數，其中原始和無定形光譜表示無損傷和完全損傷狀態的邊界。反向散射產額的降低表明CrFeCoNi > FeNi > CoNi > Ni的抗輻射能力。（c） Ni，（d） CoNi和（e） FeNi樣品用3 MeV Au離子輻照至2×1013 cm?2的透射電鏡圖像；比例尺是40納米。（f）缺陷在Ni、CoNi和FeNi中的分布。

與Ni合金相比，二元CrCoNi和CrFeCoNi合金具有較高的間隙遷移能和較低的空位遷移能，從而延緩了空位的擴散，使空位的遷移速度稍快。

Cantor合金在高劑量重離子輻照下具有良好的相穩定性。Cantor合金及其衍生物中沿晶界的輻射誘導偏析（RIS）表現為強烈的Mn耗竭和Ni/Co富集，其程度與fcc商用合金（304不銹鋼和Fe-Ni-Cr合金）相似或更低。在Cantor合金中，沿位錯環的RIS明顯受到抑制，這可能是由于間隙擴散受阻所致。由于Ni-Ni啞鈴型缺陷的形成能較低，化學偏壓擴散可能導致Ni/Co在FeNi和CrFeCoNi中的富集和Fe的耗盡。

圖2 （a） Ni （b） Ni80Fe20和（c） FeNi在5×1015 cm?2照射下的透射電鏡圖像，其中典型的SFT和位錯環用紅色圓圈和藍色箭頭標記。隨著Fe濃度的增加，缺陷尺寸減小。（d）在350 nm深度照射后，Ni、Ni80Fe20和FeNi的缺陷尺寸分布與峰值劑量為6.5 dpa的區域相對應。

圖3 （a） EDX圖疊加在Cantor合金在773 K退火500天后的STEM亮場（BF）圖像上，其中有3個析出相。相應的SAED圖像與（b） L10型NiMn、（c） bcc富cr固溶體和（d） B2型FeCo的模擬衍射圖樣（紅圈）疊加。

圖4 在673 K下，1250kev電子輻照CrFeCoNi中位錯環的生長行為。弱束暗場（WBDF）圖像顯示（a）一個Frank間隙環和（b）一個完美的環在g,3.1g條件下的生長。（c） Frank環的長軸長度（綠色）和完美環的長軸長度（紫色）作為損傷程度的函數。虛線是用冪律擬合的曲線，黑線表示在693 K下650 keV電子束輻照的Ni離子中Frank環的線性生長。

圖5 Al0.1CrFeCoNi在523K到923K的不同溫度下用3MeV Au離子輻照的BF TEM圖像和相應的SAED模式。完美的循環和SFT由藍色箭頭和綠色圓圈標記。隨著輻照溫度的升高，缺陷密度減小，缺陷尺寸增大。

圖6 （a） 316H不銹鋼、（b） CrMnFeCoNi和（c） Al0.3CrFeCoNi在573 K和不同劑量下以1 MeV Kr離子輻照的WBDF（上）和BF（下）圖像。（d）線圈密度和（e）線圈的平均大小分別作為三種合金劑量的函數。

Cantor合金的抗空洞溶脹性能比其衍生物和fcc合金有明顯提高，在60dpa的Ni離子輻照下空洞溶脹率僅為0.072%。大量空缺計算表明，團簇在二元和三元合金中的遷移速度比在鎳中慢得多，這可能是Cantor合金抗溶脹性能提高的基礎。

CrFeCoNi合金比Ni合金更能抵抗He氣泡的生長和退火后氣泡的粗化。與Ni相比，CrFeCoNi中He氣泡的尺寸較小、數量密度較高、體積分數較小，其分布較窄，可能是由于He擴散受到抑制所致。

圖7 （a）Ni、CoNi、CrCoNi和CrMnFeCoNi中孔隙膨脹的光學輪廓儀測量（b）輻照后各合金臺階高度的變化。橫截面TEM圖像顯示了（c）Ni、（d）CoNi、（e）CrCoNi和（f）CrMnFeCoNi中不同尺寸和密度的空洞。

圖8 （a）用1.5 MeV Ni離子在773 K照射到3×1015 cm?2的Ni、CoNi、FeNi和CrFeCoNi的透射電鏡橫斷面圖像，面積擴大，用藍色虛線框標記；插圖中的比例尺為50nm。（b）用3MeV Ni離子在773 K下輻照至5×1016 cm?2的Ni、FeNi、FeCoNi和CrMnFeCoNi的透射電鏡橫斷面圖像顯示，隨著組成復雜性的增加，孔隙形成減少。

盡管Cantor合金具有良好的相穩定性，但在中間退火溫度（773-973 K）長期暴露后，Cantor合金會發生分解。需要進一步研究Cantor合金及其衍生物長期暴露于復合輻射和溫度后的相穩定性。如有必要，在有實際意義的條件下，制定策略以確保更大的相位穩定性。

圖9 在（a）693 K，（b）773 K和（c）853 K下以3 MeV Ni離子輻照至5×1016 cm?2的通量的CrCoNi，CrMnFeCoNi和CrFeCoNiPd的截面TEM圖像，顯示出空隙形成對組成和溫度的依賴性。

圖10 （a）物質中離子（SRIM）的停止和范圍模擬離子輻射損傷和入射He濃度剖面圖與透射電鏡橫截面圖像重疊。紅色虛線框表示從（b）得到的損傷峰值區域。（b） Ni和CrFeCoNi在高達1.52×1016 cm?2的注量和（a） 773 K，（b） 873 K和（c） 973 K的2MeV He離子輻照下的橫斷面TEM圖像。

綜上，目前的研究主要集中在組成元素較少的Cantor合金及其衍生物的輻射響應，以闡明成分復雜性對抗輻射性能的影響。含更多合金元素的合金的抗輻照性能尚不清楚，至少可以考慮一些含更多元素的等原子合金的初步研究。最后，輻照類似物（電子和重離子）的研究能否以及如何代表快中子輻照的問題仍然是未知的，應該在未來的研究中加以解決。

免責聲明：本網站所轉載的文字、圖片與視頻資料版權歸原創作者所有，如果涉及侵權，請第一時間聯系本網刪除。