高熵合金辐照损伤的实验研究进展
发布时间：2021-09-09 09:38
尽管人们在半个世纪前就已经在Fe-Cr-Ni体系中发现主元浓度的改变对合金的抗辐照肿胀性能有重要影响,但在很长一段时间内未能系统深入地理解其中的物理机制,也未能据此形成依托主元调控的体系化的抗辐照合金设计方法。高熵合金的出现和发展拓展了抗辐照材料的设计空间,同时也为系统研究合金主元对辐照损伤的影响机制提供了理想的平台。近年来,针对高熵合金开展了一系列载能粒子（包括电子、离子和中子）辐照实验,力图揭示辐照下主元特征（包括数目、种类和浓度等）对合金微观结构和性能演化的影响。现有结果表明,通过调控辐照下的能量耗散过程以及缺陷的形成能和迁移能,化学复杂度较高的合金中辐照缺陷演化在总体趋势上有所减缓,尤其是间隙原子型缺陷团簇尺寸下降,在高温辐照下对孔洞以及氦泡的形成也有所抑制。尽管已有实验证据表明,通过适当的主元调控可以在保持合金组织结构的情况下提升其抗辐照性能,但是必须指出,不同主元组合和结构的高熵合金在不同辐照条件（温度、剂量、粒子种类）下的稳定性、肿胀及力学性能演化有着较大的乃至定性上的差异,因此目前并不能简单地得出高熵合金在整体上是否具有更好的抗辐照性能的结论。本文回顾并整理了关于高熵合...
【文章来源】：材料导报. 2020,34(17)北大核心EICSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
(a)Fe-Ni-Cr合金中辐照肿胀随Ni、Cr含量的变化[12];(b)Ni和NiCu合金在14 MeV Ni离子辐照以及注入0.05‰ He下的缺陷形貌[15]
根据上述实验现象以及相关分子动力学模拟,如图2所示,Nagase等[19]进行了一系列大胆的猜测:(1)高熵合金中主元种类多,导致其点缺陷类型多,其中可能有部分种类缺陷的形成能极高而很不稳定,因此具有高复合速率;(2)这些高能点缺陷形成后,其周围的原子构型也会改变,形成在辐照下具有高稳定性的应变结构;(3)高熵合金中原子尺度的晶格畸变会促进粒子辐照下的非晶化过程,进而在辐照热沉积作用下的重结晶过程中,由于较高的原子应力及化学不均匀性,导致位错难以生成,从而降低缺陷浓度。基于此,Nagase等推测认为高熵合金具有优异的抗辐照性能,是一种很好的候选核用材料。值得注意,对晶粒尺寸如此小的纳米晶薄膜来说,辐照点缺陷的浓度和演化行为受到高密度晶界这一缺陷陷阱的严重制约[4]。因此,除非与类似晶粒尺寸的其他成分进行系统对比,否则难以单纯根据其在辐照下未见孔洞和位错环这一现象证实合金成分(多主元效应)对辐照损伤的影响。另外,辐照下合金的结构稳定性往往与该合金自身的热力学及热动力学性能相关,并非仅由抗辐照性能决定,因此,要想说明高熵合金中多主元或者晶格畸变效应导致的辐照稳定性,需要对同一或近似合金体系下具有不同成分的合金进行系统的对比研究。然而,尽管从现在看来,这一系列早期的实验结果自身难以证实高熵合金在抗辐照性能上的优势,但是这些研究尤其是对高熵合金抗辐照机制的假说确实激发了核能材料的研究者们对高熵合金的兴趣。
结合对高熵合金热、电输运性质以及缺陷扩散性质的研究[21,30-34],研究者们认为高熵合金的上述抗辐照性能的可能来源包括两个方面:(1)从能量耗散角度讲,化学无序程度的提升增加了对电子的散射,使合金具有较高的电阻率和较低的热导率, 导致在级联碰撞过程中载能粒子沉积的能量耗散减慢,级联碰撞热峰(Thermal spike)时间延长,从而促进间隙原子和空位的复合;(2)从缺陷演化角度讲,复杂的合金主元带来的化学无序以及晶格畸变会影响合金中缺陷的形成能和迁移能,从而在较长的时间尺度下影响合金中点缺陷的复合以及缺陷团簇的形成和长大[21,35]。图4 室温(a)低、(b)高剂量辐照下Ni、NiCo、NiFe之间的缺陷形貌与分布差异[24];(c)室温辐照下Fe浓度对Ni-xFe合金中辐照缺陷形貌的影响[29]
【参考文献】：
期刊论文
[1]高熵合金材料研究进展（英文）[J]. 张蔚冉,Peter K.Liaw,张勇. Science China Materials. 2018(01)
本文编号：3391862
【文章来源】：材料导报. 2020,34(17)北大核心EICSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
(a)Fe-Ni-Cr合金中辐照肿胀随Ni、Cr含量的变化[12];(b)Ni和NiCu合金在14 MeV Ni离子辐照以及注入0.05‰ He下的缺陷形貌[15]
根据上述实验现象以及相关分子动力学模拟,如图2所示,Nagase等[19]进行了一系列大胆的猜测:(1)高熵合金中主元种类多,导致其点缺陷类型多,其中可能有部分种类缺陷的形成能极高而很不稳定,因此具有高复合速率;(2)这些高能点缺陷形成后,其周围的原子构型也会改变,形成在辐照下具有高稳定性的应变结构;(3)高熵合金中原子尺度的晶格畸变会促进粒子辐照下的非晶化过程,进而在辐照热沉积作用下的重结晶过程中,由于较高的原子应力及化学不均匀性,导致位错难以生成,从而降低缺陷浓度。基于此,Nagase等推测认为高熵合金具有优异的抗辐照性能,是一种很好的候选核用材料。值得注意,对晶粒尺寸如此小的纳米晶薄膜来说,辐照点缺陷的浓度和演化行为受到高密度晶界这一缺陷陷阱的严重制约[4]。因此,除非与类似晶粒尺寸的其他成分进行系统对比,否则难以单纯根据其在辐照下未见孔洞和位错环这一现象证实合金成分(多主元效应)对辐照损伤的影响。另外,辐照下合金的结构稳定性往往与该合金自身的热力学及热动力学性能相关,并非仅由抗辐照性能决定,因此,要想说明高熵合金中多主元或者晶格畸变效应导致的辐照稳定性,需要对同一或近似合金体系下具有不同成分的合金进行系统的对比研究。然而,尽管从现在看来,这一系列早期的实验结果自身难以证实高熵合金在抗辐照性能上的优势,但是这些研究尤其是对高熵合金抗辐照机制的假说确实激发了核能材料的研究者们对高熵合金的兴趣。
结合对高熵合金热、电输运性质以及缺陷扩散性质的研究[21,30-34],研究者们认为高熵合金的上述抗辐照性能的可能来源包括两个方面:(1)从能量耗散角度讲,化学无序程度的提升增加了对电子的散射,使合金具有较高的电阻率和较低的热导率, 导致在级联碰撞过程中载能粒子沉积的能量耗散减慢,级联碰撞热峰(Thermal spike)时间延长,从而促进间隙原子和空位的复合;(2)从缺陷演化角度讲,复杂的合金主元带来的化学无序以及晶格畸变会影响合金中缺陷的形成能和迁移能,从而在较长的时间尺度下影响合金中点缺陷的复合以及缺陷团簇的形成和长大[21,35]。图4 室温(a)低、(b)高剂量辐照下Ni、NiCo、NiFe之间的缺陷形貌与分布差异[24];(c)室温辐照下Fe浓度对Ni-xFe合金中辐照缺陷形貌的影响[29]
【参考文献】：
期刊论文
[1]高熵合金材料研究进展（英文）[J]. 张蔚冉,Peter K.Liaw,张勇. Science China Materials. 2018(01)
本文编号：3391862
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hkxlw/3391862.html
