西安交大Acta Mater: 中熵合金NbZrTi辐照效应研究

一、【导读】

发展安全可靠和独立自主的核电技术满足国家战略需要，也符合当前“碳达峰”的降碳目标。第四代先进核反应堆在安全性、经济性等方面有着独特优势，但在温度、辐照、腐蚀等方面也对核材料提出了更为严苛的要求。由难熔金属元素构成的体心立方结构（BCC）多主元合金（包括中熵合金和高熵合金），拥有优异的高温力学性能和抗辐照性能，被认为是极具潜力的候选材料之一。目前，多主元合金的辐照损伤研究主要集中在面心立方结构（FCC）体系，而晶格畸变程度更高、元素组成也不尽相同的BCC体系依旧有待探索。西安交通大学卢晨阳教授团队以NbZrTi中熵合金作为研究对象，通过第一性原理、分子动力学和辐照实验相结合的研究方法，探究了NbZrTi独特的点缺陷行为对辐照效应的影响。研究发现，由于严重晶格畸变和化学复杂性，使得NbZrTi中点缺陷的能量和迁移性质与FCC多主元合金有着显著区别，对缺陷回复和生长有着深远影响；高温离子辐照后发现：相比于纯Nb，NbZrTi中辐照缺陷的产生被大幅度抑制，展现了优异的抗辐照潜力。相关工作以“Distinct point defect behaviours in body-centered cubic medium-entropy alloy NbZrTi induced by severe lattice distortion”为题发表在Acta Materialia上。西安交大施坦助理教授为论文第一作者，中科院力学所彭庆研究员与西安交大卢晨阳教授为共同通讯作者。

二、【成果简介】

NbZrTi基难熔高熵合金，如NbZrTiHfTa, NbZrTiHf, NbZrTiMoV等，由于优异的力学性能受到人们的广泛关注，研究该合金体系严重晶格畸变效应对点缺陷的影响机制是理解其辐照效应的基础。NbZrTi具有严重的晶格畸变，远大于FCC多主元合金，也高于部分BCC多主元合金。首先，如图1所示，通过声子色散谱、高温振动等分析方法得出， NbZrTi完整晶体结构具有较高的稳定性，不存在系统性相变趋势。

通过系统的第一性原理计算发现，NbZrTi的空位结构由于大幅度结构调整，形成能显著降低（见图2（a-c）），一定比例的空位结构具有不稳定性；并且，由于崎岖的势能面，空位迁移能也有着极宽的展宽（见图2（d-f））。较低的空位形成能影响辐照缺陷产生数量，也将导致平衡空位浓度提高，进而影响高温条件下的辐照肿胀行为；较宽的迁移能垒导致空位容易通过低能垒位置扩散，降低等效迁移能，促进空位扩散。

图 2 （a）NbZrTi空位形成能；（b）NbZrTi和（c）NiCoFeCrMn中空位结构的调整幅度；（d）NbZrTi空位迁移能；（e）空位正/反向迁移能；（f）代表性空位迁移路径。

如图3所示，NbZrTi的间隙形成能也远低于纯Nb。部分间隙结构由于严重晶格畸变效应，偏离初始间隙位置，拥有较大幅度的结构调整。由于不同类型间隙偏好不同的朝向，长程一维扩散被抑制，从而导致更低的间隙扩散速率，促进点缺陷复合。元素比例和短程有序结构（SRO）也将影响间隙迁移，SRO结构有可能使扩散空间局域化，从而抑制间隙迁移（见图4）。

图 3 （a）NbZrTi间隙形成能；（b）稳定间隙结构产生概率；（c）Nb和NbZrTi间隙扩散速率；（d）间隙扩散轨迹。

图 4 (a-c)Nb_0.4Zr_0.4Ti_0.2和NbZrTi间隙扩散速率对比，（d-f）随机固溶结构和短程有序结构NbZrTi扩散速率对比。

在3 MeV Fe离子，675 °C，～100 dpa的辐照条件下，纯Nb中产生了辐照引起的空洞，但在NbZrTi中未见可观测的空洞和位错环。对比纯Nb的肿胀温度区间（T/T_m：0.34 - 0.51），NbZrTi在该辐照温度下（T/T_m：0.48）的肿胀被抑制。NbZrTi中，由于低空位形成能而导致的高平衡空位浓度将有利于空洞在高温条件下的热释放；并且，点缺陷复合概率的增加也将有助于抑制辐照缺陷的累积。

图 5 675 °C，～100 dpa 铁离子辐照下（a-c）纯Nb和（d-e）NbZrTi辐照区剖面STEM-BF图。

三、【总结与展望】

综上所述，NbZrTi中的严重晶格畸变效应对点缺陷能量和扩散行为有着显著的影响，可以促进点缺陷复合，并抑制材料在高温下的辐照肿胀。该研究对于理解BCC多主元合金辐照效应以及完善高熵合金辐照损伤理论有着重要参考作用。接下来，对于缺陷团簇、辐照过程和缺陷演化过程的模拟计算与机理分析以及全面的辐照实验和表征将有利于进一步深入理解该类合金的抗辐照性能，为核用方向推进奠定基础。