高熵合金是近些年來出現的一種新型金屬合金材料，其一般是由五種或五種以上元素以等原子比或近等原子比組成的隨機固溶體，具有獨特的原子結構特征，因而呈現出一些不同于傳統合金的獨特性能。高熵合金所具有的優異性能吸引了核材料領域研究人員的注意，其已經被證明在常溫下能夠更加顯著地抑制輻照損傷的積聚，而在高溫輻照下其空洞腫脹明顯低于單質鎳。高熵合金所展現出的良好的抗輻照損傷性能使其被認為具有在核能系統中應用的潛力。然而，到目前為止高熵合金的抗輻照損傷機制以及影響高熵合金抗輻照損傷性能的相關因素仍然不清楚，這限制了對具有更高抗輻照損傷性能的高熵合金體系的探索以及對不同體系的高熵合金抗輻照損傷性能的評估。含鋁高熵合金AlxCoCrFeNi是一種已經被廣泛研究的高熵合金體系，由于鋁原子的半徑顯著大于其它四種組成元素，材料的晶格畸變會隨著鋁含量的增加而顯著增大，因此，在高熵合金研究中經常被作為模型體系，探索影響高熵合金微觀結構和力學性能的相關因素。針對高熵合金抗輻照損傷性能研究中的相關問題，湖南大學材料學院楊騰飛副教授以含鋁高熵合金為模型體系開展了系統研究，并取得如下進展：

一、高熵合金體系AlxFeCoCrNi(x= 0.1, 0.75, 1.5)在室溫輻照條件下的結構穩定性

在前期對三種不同鋁含量(x = 0.1, 0.75, 1.5)的含鋁高熵合金的微觀結構和力學性能的研究基礎上(Mat. Sci. Eng. A-Struct. 648 (2015) 15–22)，探索了三種材料在3 MeV Au，6×1015cm-2室溫輻照條件下的析出行為。結合常規TEM和球差校正STEM的表征發現，單相的固溶體系Al0.1FeCoCrNi在輻照條件下具有非常高的相穩定性，輻照后材料仍保持了單相固溶結構;而兩種多相含鋁合金Al0.75FeCoCrNi (fcc+B2)和Al1.5FeCoCrNi (A2+B2) 在輻照條件下結構不穩定，在不同的相中均觀察到很明顯的析出和相分解行為(如圖1所示)。這種相穩定性的差異主要是由于只有多組元的單相固溶結構體系才擁有高的混合熵和低的原子遷移率，其降低了析出相形成的熱力學驅動力并同時在動力學上抑制了析出相的形成。而在多相體系中，相分離以及伴隨著的成份偏聚降低了體系的混合熵，導致體系中不同相的行為更加類似于傳統的二元和三元合金，因此在輻照條件下很容易產生新的析出相結構。相關研究驗證了單相固溶體系在室溫輻照下的結構穩定性以及高混合熵對其抗輻照損傷性能的影響 (Scientific Reports 6 (2016) 32146)。

文獻鏈接：[1]Tengfei Yang, Songqin Xia, Shi Liu, Chenxu Wang, Shaoshuai Liu, Yong Zhang, JianmingXue, Sha Yan, Yugang Wang, Effects of Al addition on microstructure and mechanical properties of AlxCoCrFeNiHigh-entropy alloy, Materials Science & Engineering A 648 (2015) 15–22.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509315303749[2]Tengfei Yang, Songqin Xia, Shi Liu, Chenxu Wang, Shaoshuai Liu, Yuan Fang, Yong Zhang, Jianming Xue, Sha Yan, Yugang Wang, Precipitation behavior of AlxCoCrFeNi high entropy alloys under ion irradiation, Scientific Reports 6 (2016) 32146.https://www.nature.com/articles/srep32146

圖1. (a ~ c)輻照前和(d ~ f)輻照后含鋁高熵合金AlxCoCrFeNi的高角環形探頭暗場像. (a,d) x= 0.1, (b,e) x = 0.75, (c, f) x = 1.5.

二、含鋁高熵合金Al0.1CoCrFeNi在高溫條件下的輻照效應

多組元隨機固溶結構是高熵合金最具有代表性的微觀結構特征，然而其在高溫輻照條件下的穩定性以及輻照引起的成份波動尚不清楚。作者結合透射電子顯微鏡(TEM)和三維原子形貌探針(APT)，研究了單相含鋁高熵合金Al0.1CoCrFeNi在高溫下的輻照損傷和偏析行為及其隨輻照溫度(3 MeV Au，6×1015cm-2，250 ºC ~ 650 ºC)的演化。研究發現，輻照產生的缺陷主要包括間隙型位錯環、四面體堆垛層錯、位錯及位錯網絡;隨著輻照溫度的升高， 1/3<111>堆垛型位錯環(Faultedloops)逐漸轉變為1/2<110>型全位錯環(Perfectloops)，同時缺陷尺寸逐步增大而缺陷密度逐步減小。對比其它傳統FCC合金，Al0.1CoCrFeNi顯示出一個類似但是速度更慢的結構缺陷隨輻照溫度的演化，其可能是由于高熵合金材料中的惰性原子遷移引起的。APT的表征則發現，Al0.1CoCrFeNi在高溫離子輻照下仍然能保持單相固溶結構，但是輻照會引起鎳，鈷在位錯環等缺陷上的富集(如圖2所示)以及鐵, 鉻在這些缺陷上的濃度降低，這可能是由于鎳和鈷較快的間隙原子遷移率或者鐵和鉻較快的空位遷移率引起的(Scripta Materialia 144(2018) 31–35)。

文獻鏈接：[3]Tengfei Yang, Songqin Xia, Wei Guo, Rong Hu, Jonathan D. Poplawsky, Gang Sha, Yuan Fang, Zhanfeng Yan, Chenxu Wang, Congyi Li, Yong Zhang, Steven J. Zinkle, Yugang Wang, Effects of temperature on the irradiation responses of Al0.1CoCrFeNi high entropy alloy, Scripta Materialia 144 (2018) 31–35.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646217305377

圖2. 利用APT表征得到的Al0.1CoCrFeNi在不同溫度下((a) 250 ºC，(b) 350 ºC，(c) 500 ºC，(d) 650 ºC)的鎳，鈷-55 at. %等濃度表面分布(綠色)，黃色代表沉積的金原子，藍色箭頭標明了鎳和鈷在位錯環上的偏析。

三、亞穩態含鋁高熵合金Al0.3CoCrFeNi在高溫輻照條件下的析出行為

由于多組元成份特征，高熵合金中很容易形成大量析出物，高密度的納米析出物被證明能夠提高高熵合金的力學性能。此外，這些高密度的析出物能夠引入大量的界面，而這些界面可以作為勢阱吸收輻照產生的缺陷，降低材料中的缺陷密度進而提高其抗輻照損傷性能。然而，高熵合金中的納米析出相在高溫輻照條件下的穩定性目前仍然不清楚。作者研究了處于單相固溶結構和多相結構成份邊界的Al0.3CoCrFeNi在250 ºC至650 ºC的輻照效應，重點關注納米析出相的演化行為。實驗發現樣品輻照區域和未輻照區域呈現出相反的析出行為(如圖3所示)。在250 ºC~ 500 ºC，未輻照區域出現了富Ni, Al的納米析出物，而輻照區域則仍然基本保持為單相固溶結構。而當溫度進一步升高到650 ºC時，輻照區域出現了富Ni, Al且具有B2結構的析出物，而未輻照區域此時則轉變為單相固溶結構。Al0.3CoCrFeNi在輻照條件下，輻照區域和未輻照區域呈現出相反的析出行為且其隨著溫度發生轉變的原因在于當溫度小于/等于 500 ºC時，原子的熱擴散速率相對較低，此時析出物形成和生長的熱力學驅動力的相關效應被抑制了，因此輻照過程中移位級聯引起的成份互溶效應占主導，抑制了輻照區域內析出物的產生和生長。而當溫度升高至650 ºC時，此時析出物形成和生長的熱力學驅動力占據主導地位，輻照引起的缺陷一方面促進了元素的遷移，另一方面成為析出物形成的形核點，因此其反而促進了析出物的形成(Acta Materialia 188 (2020) 1-15)。

文獻鏈接：[4]Tengfei Yang, Wei Guo, Jonathan D. Poplawsky, Dongyue Li, Ling Wang, Yao Li, Wangyu Hu, Miguel L. Crespillo, Zhanfeng Yan, Yong Zhang, Yugang Wang, Steven J.Zinkle, Structural damage and phase stability of Al0.3CoCrFeNi high entropy alloy under high temperature ion irradiation, Acta Materialia 188 (2020) 1-15.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645420300860

圖3. 3 MeV Au離子輻照后的Al0.3CoCrFeNi的29 at. % Ni等濃度表面圖(綠色)。

作者簡介 楊騰飛，男，1984年12月生，博士，副教授。 2014年于北京大學核物理與核技術國家重點實驗室學習并獲得博士學位，2016至2019年在美國田納西大學核能工程系進行博士后研究(合作導師：Steven Zinkle)。一直從事核能材料輻照損傷方面的研究工作。2019年5月加入湖南大學材料科學與工程學院。近些年來，在高熵合金、MAX相和氧化鋯陶瓷輻照損傷研究中取得多項研究成果。主持國家自然科學基金青年項目1項，參與國家自然科學基金重點項目1項，以第一作者發表SCI論文14篇，其中包括Acta Materialia 3篇，Scripta Materialia 1篇，Journal of Nuclear Materials 4篇等。