Nature子刊：多元单相合金通过改变缺陷的移动和迁移路径增强耐辐射性

【引言】

多元单相固溶合金（SP-CSA）材料是由两个至五个主要元素以等摩尔比或接近等摩尔比组成简单面心立方（fcc）或简单体心立方（bcc ）结构。与常规合金相比，SP-CSA材料中的合金元素在原子水平上的随机排列以及原子周围复杂的结构环境导致其与传统合金相比表现出非凡的性能，例如高热稳定性、高强质比、高温强度及优异的耐腐蚀性等。文中通过研究SP-CSA材料在高温和高辐照剂量的条件下其缺陷簇分布及运动情况，得出增强材料耐辐射性的新机制。

【成果简介】

近日，美国密西根大学核工程与放射科学系卢晨阳（第一作者）及王鲁闽教授（通讯作者）等人在高温条件下对镍和含镍的多组分单相合金（SP-CSA）材料进行高能辐照。通过TEM观察材料辐照后的截面形貌，发现SP-CSA材料辐照后空隙小。此外用分子动力学模拟对比分析其缺陷簇运动情况，发现导致SP-CSA材料耐辐射性高的原因是其内部结构导致缺陷簇的运动方式由长程一维转变为短程三维模式。这种运功方式可以增加缺陷的复合，增强材料的耐辐照能力。该成果以“Enhancing radiation tolerance by controlling defect mobility and migration pathways in multicomponent single-phase alloys”为题于2016年12月15日发表在期刊Nature Communications上。

【图文导读】

图1.辐照空位分布图

（a）Ni，NiCo, NiFe 和 NiCoFeCr 在1.5MeVNi⁺/ 3 × 1015 cm²在773 K辐照条件下的横断面TEM图(比例尺为50nm)。从图a可看出，NiFe和NiCoFeCr中空隙比Ni和NiCo小得多，表明其有着相对高得多的膨胀阻力。

（b）Ni，NiCo, NiFe 和 NiCoFeCr 在3MeVNi⁺/ 3 × 1015 cm²在773 K辐照条件下的横断面TEM图(比例尺为50nm)。从图b可看出，NiCoFe和NiCoFeCrMn中的空隙分布与NiFe类似但空隙更小。并有六种材料的溶胀阻力按Ni < NiCo

图2.镍和含镍多元单相合金的空隙 – 位错环分布

（a）Ni，NiCo, NiFe 和 NiCoFeCr 在1.5MeVNi⁺/ 3 × 1015cm²在773 K辐照条件下的横断面TEM图(比例尺为50nm)。从图（a）可看出，在Ni和NiCo中。比空隙位置更深处，出现了网状位错，包括长位错线和更大的位错环；在 NiFe 和 NiCoFeCr中，表现出相反的缺陷簇分布，较大的位错环分布在试样表面，并延伸至距离表面600nm处。

（b）Ni，NiCo, NiFe 和 NiCoFeCr 在1.5MeVNi⁺/ 3 × 1015cm²在773 K辐照条件下的横断面TEM图(比例尺为50nm)。从图b可看出，在NiFe和NiCoFeCr中，在离表面比位错环更远的地方出现了更高密度的更小空隙，且有着与（a）相似的位错和孔隙分布状态。

（c）NiCoFeCr的高分辨率的STEM高角环形暗场像(比例尺, 2 nm)。

表1.迁移能垒的E_M和点缺陷指数前因子D₀

该表为Ni和NiFe两物质在不同缺陷簇状态条件下的迁移能垒EM以及点缺陷指数前因子D0。从中可以看出，相同条件下，单间隙的NiFe的迁移能垒EM比Ni更高，这归因于镍和铁在原子尺寸上的差异以及结构畸变。另外NiFe中随间隙缺陷簇尺寸的增加，其迁移能也随之增加，而在Ni中对应关系则较为独立。

图3.在离子辐照下一维和三维间隙缺陷簇运动模拟图

（a）Ni和NiCo中间隙缺陷蔟沿滑移园柱快速迁移一维示意图。

（b）Ni和NiCo中由（a）结果得出的缺陷演化和分布示意图。综合图(a)(b)可知，缺陷簇在纯镍中以一维运动方式沿着滑动圆柱迁移，一部分缺陷簇从空隙区域快速移动到表面，一小部分间隙簇则迁移到更深的区域形成更复杂的位错网。

（c）NiFe四间隙簇滑移轨迹的分子动力学模拟的三维迁移模型。

（d）NiFe, NiCoFe, NiCoFeCr 和 NiCoFeCrMn 试样由（c）结果得出的缺陷演化和分布示意图。

图4. 间隙缺陷簇的原位TEM观察

（a）Ni 在800K下的迁移轨迹。可以看到此时在Ni中间隙缺陷簇只沿一个方向迁移〈110〉 。

（b）NiCo在1200K下的迁移轨迹。可以看到此时在NiCo中间隙缺陷簇也主要沿〈110〉 方向迁移，但其在〈110〉 方向上的迁移距离比图（c）中NiFe的更长，但其只发生一次方向改变，20ns内平均路程为 3 nm 。

（c）NiFe在1,200 K下的迁移轨迹。此时其间隙缺陷簇也主要沿〈110〉 方向迁移，且其在〈110〉 方向上的迁移距离比NiFe的更短，但其却发生了6次方向改变，20ns内平均路程（1 nm）则比NiCo小 。由于越短的一维迁移路程以及更大的变向频率越有利于三维迁移行为，因此，这一不同的间隙缺陷簇迁移行为或许可以解释NiCo和NiFe合金间的空隙分布以及溶胀阻力差异问题。

图5. Ni和NiCo中的间隙缺陷簇的一维滑移的TEM图

（a）Ni中位错环的初始位置的原位TEM形貌（标尺20nm）。

（b）Ni中位错环的最终位置的原位TEM形貌。

（c）Ni中初始和最终位置叠加后对应区域的原位TEM形貌。

（d）NiCo中初始位置的原位TEM形貌。

（e）NiCo中最终位置的原位TEM形貌。

（f）NiCo中初始和最终位置后对应区域的原位TEM形貌。

【小结】

本文通过对Ni及含Ni多元单相合金（SP-CSAs）的实际辐照实验和模拟工作表明：增加固溶体合金的组分的复杂性可以降低材料缺陷迁移以及改变迁移路径，以此来促进辐射损伤的湮灭，进而增强材料的耐辐射性性能。其具体作用机制为复杂的合金组分的引入导致间隙缺陷簇的运动方式由长程一维转变为短程三维模式。这种运功方式可以显著增加间隙缺陷的复合，从而防止大的空洞肿胀在这些多元单相合金的形成来提高抗辐照性能。并且，通过调整固溶体合金组分复杂性的这一方法也将会对未来新一代耐辐照性能材料的开发具有重要意义。

文献链接：Enhancing radiation tolerance by controlling defect mobility and migration pathways in multicomponent single-phase alloys（Nat. Commun., 2016，doi:10.1038/ncomms13564）

该文献由材料人编辑部金属材料学术组欧洲足球赛事 彭黄涛整理编译。

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