間隙碳原子對高熵合金輻照行為的影響

隨著我國提出早日實現(xiàn)“碳中和”的戰(zhàn)略目標，建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟和工業(yè)體系，推動我國能源發(fā)展邁上新臺階已經(jīng)成為國家能源發(fā)展的主題。先進的核能系統(tǒng)可以提供綠色安全高效的能源，是保障我們可持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟的重要工業(yè)體系。因此這也對核能系統(tǒng)的材料服役性能提出了更高的要求。近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)高熵合金在機械性能，抗腐蝕以及抗輻照行為方面有著優(yōu)異的表現(xiàn)，在候選的核結(jié)構(gòu)材料中有著獨特的優(yōu)勢。

早期的研究工作主要是通過改變高熵合金中元素數(shù)量類型，以及濃度來調(diào)控材料中的輻照缺陷行為。隨著體系中化學復雜性的增加，雖然能一定程度上抑制輻照腫脹，但也會帶來輻照硬化以及相不穩(wěn)定。

小間隙原子在傳統(tǒng)合金的制備和應(yīng)用上有著廣泛的應(yīng)用，可以很好地調(diào)控材料的各項機械性能。但它對高熵合金中的輻照行為如何影響還未有全面和深入的研究。西安交通大學盧晨陽教授團隊研究了在高溫氦離子輻照下，小間隙碳（C）原子對高熵合金輻照缺陷行為的影響。論文的通訊作者還包括廈門大學冉廣教授和西安交大王盛教授，本文中的樣品由中南大學李志明教授提供。通過球差透射電鏡比較摻雜/未摻雜碳原子的兩種Fe49.5Mn30Co10Cr10C0.5/ Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金的輻照缺陷行為，分析小間隙碳原子對He泡形成，位錯環(huán)演化，輻照誘導偏析以及輻照硬化的影響，并結(jié)合第一性原理計算揭示了間隙碳原子引起的晶格畸變和空位遷移能的變化來全面評估間隙碳原子的作用機制。此外還通過對比典型的Cantor合金FeMnCoCrNi來比較合金元素和小間隙碳原子的引入對高熵合金輻照行為的區(qū)別。

研究發(fā)現(xiàn)相比于Fe50Mn30Co10Cr10和Cantor合金，引入了小間隙碳原子的Fe49.5Mn30Co10Cr10C0.5合金在He泡腫脹率，輻照硬化以及位錯環(huán)處的輻照誘導偏析程度方面均得到了顯著的抑制，在多個輻照性能方面得到了很好的平衡。相比于之前通過改變高熵合金中主元元素類型和數(shù)量來調(diào)控輻照缺陷，本研究在高熵合金中引入小間隙原子的策略給我們提供了一個廣闊的核用高熵合金設(shè)計思路。

圖1.輻照He濃度峰值區(qū)三種材料的He泡分布

圖2.輻照He濃度峰值區(qū)三種材料的He泡尺寸密度統(tǒng)計

圖3.輻照后材料中的位錯環(huán)分布，輻照劑量約1 DPA，[110]帶軸下STEM-BF拍攝。

圖4.三種材料中位錯環(huán)尺寸，密度和類型統(tǒng)計

圖5. Edge-on型位錯環(huán)處的輻照誘導偏析

圖6.三種材料位錯環(huán)處的輻照誘導偏析程度對比

圖7.第一性原理計算間隙碳原子附近的空位遷移能變化

圖8.間隙碳原子在高熵合金中可以顯著抑制輻照硬化和He泡腫脹，以及位錯環(huán)處的輻照誘導偏析。