高熵合金是近些年来出现的一种新型金属合金材料，其一般是由五种或五种以上元素以等原子比或近等原子比组成的随机固溶体，具有独特的原子结构特征，因而呈现出一些不同于传统合金的独特性能。高熵合金所具有的优异性能吸引了核材料领域研究人员的注意，其已经被证明在常温下能够更加显著地抑制辐照损伤的积聚，而在高温辐照下其空洞肿胀明显低于单质镍。高熵合金所展现出的良好的抗辐照损伤性能使其被认为具有在核能系统中应用的潜力。然而，到目前为止高熵合金的抗辐照损伤机制以及影响高熵合金抗辐照损伤性能的相关因素仍然不清楚，这限制了对具有更高抗辐照损伤性能的高熵合金体系的探索以及对不同体系的高熵合金抗辐照损伤性能的评估。含铝高熵合金AlxCoCrFeNi是一种已经被广泛研究的高熵合金体系，由于铝原子的半径显著大于其它四种组成元素，材料的晶格畸变会随着铝含量的增加而显著增大，因此，在高熵合金研究中经常被作为模型体系，探索影响高熵合金微观结构和力学性能的相关因素。针对高熵合金抗辐照损伤性能研究中的相关问题，湖南大学材料学院杨腾飞副教授以含铝高熵合金为模型体系开展了系统研究，并取得如下进展：
一、高熵合金体系AlxFeCoCrNi(x= 0.1, 0.75, 1.5)在室温辐照条件下的结构稳定性
在前期对三种不同铝含量(x = 0.1, 0.75, 1.5)的含铝高熵合金的微观结构和力学性能的研究基础上(Mat. Sci. Eng. A-Struct. 648 (2015) 15–22)，探索了三种材料在3 MeV Au，6×1015cm-2室温辐照条件下的析出行为。结合常规TEM和球差校正STEM的表征发现，单相的固溶体系Al0.1FeCoCrNi在辐照条件下具有非常高的相稳定性，辐照后材料仍保持了单相固溶结构;而两种多相含铝合金Al0.75FeCoCrNi (fcc+B2)和Al1.5FeCoCrNi (A2+B2) 在辐照条件下结构不稳定，在不同的相中均观察到很明显的析出和相分解行为(如图1所示)。这种相稳定性的差异主要是由于只有多组元的单相固溶结构体系才拥有高的混合熵和低的原子迁移率，其降低了析出相形成的热力学驱动力并同时在动力学上抑制了析出相的形成。而在多相体系中，相分离以及伴随着的成份偏聚降低了体系的混合熵，导致体系中不同相的行为更加类似于传统的二元和三元合金，因此在辐照条件下很容易产生新的析出相结构。相关研究验证了单相固溶体系在室温辐照下的结构稳定性以及高混合熵对其抗辐照损伤性能的影响 (Scientific Reports 6 (2016) 32146)。
文献链接：[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
图1. (a ~ c)辐照前和(d ~ f)辐照后含铝高熵合金AlxCoCrFeNi的高角环形探头暗场像. (a,d) x= 0.1, (b,e) x = 0.75, (c, f) x = 1.5.
二、含铝高熵合金Al0.1CoCrFeNi在高温条件下的辐照效应
多组元随机固溶结构是高熵合金最具有代表性的微观结构特征，然而其在高温辐照条件下的稳定性以及辐照引起的成份波动尚不清楚。作者结合透射电子显微镜(TEM)和三维原子形貌探针(APT)，研究了单相含铝高熵合金Al0.1CoCrFeNi在高温下的辐照损伤和偏析行为及其随辐照温度(3 MeV Au，6×1015cm-2，250 ºC ~ 650 ºC)的演化。研究发现，辐照产生的缺陷主要包括间隙型位错环、四面体堆垛层错、位错及位错网络;随着辐照温度的升高， 1/3<111>堆垛型位错环(Faultedloops)逐渐转变为1/2<110>型全位错环(Perfectloops)，同时缺陷尺寸逐步增大而缺陷密度逐步减小。对比其它传统FCC合金，Al0.1CoCrFeNi显示出一个类似但是速度更慢的结构缺陷随辐照温度的演化，其可能是由于高熵合金材料中的惰性原子迁移引起的。APT的表征则发现，Al0.1CoCrFeNi在高温离子辐照下仍然能保持单相固溶结构，但是辐照会引起镍，钴在位错环等缺陷上的富集(如图2所示)以及铁, 铬在这些缺陷上的浓度降低，这可能是由于镍和钴较快的间隙原子迁移率或者铁和铬较快的空位迁移率引起的(Scripta Materialia 144(2018) 31–35)。
文献链接：[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
图2. 利用APT表征得到的Al0.1CoCrFeNi在不同温度下((a) 250 ºC，(b) 350 ºC，(c) 500 ºC，(d) 650 ºC)的镍，钴-55 at. %等浓度表面分布(绿色)，黄色代表沉积的金原子，蓝色箭头标明了镍和钴在位错环上的偏析。
三、亚稳态含铝高熵合金Al0.3CoCrFeNi在高温辐照条件下的析出行为
由于多组元成份特征，高熵合金中很容易形成大量析出物，高密度的纳米析出物被证明能够提高高熵合金的力学性能。此外，这些高密度的析出物能够引入大量的界面，而这些界面可以作为势阱吸收辐照产生的缺陷，降低材料中的缺陷密度进而提高其抗辐照损伤性能。然而，高熵合金中的纳米析出相在高温辐照条件下的稳定性目前仍然不清楚。作者研究了处于单相固溶结构和多相结构成份边界的Al0.3CoCrFeNi在250 ºC至650 ºC的辐照效应，重点关注纳米析出相的演化行为。实验发现样品辐照区域和未辐照区域呈现出相反的析出行为(如图3所示)。在250 ºC~ 500 ºC，未辐照区域出现了富Ni, Al的纳米析出物，而辐照区域则仍然基本保持为单相固溶结构。而当温度进一步升高到650 ºC时，辐照区域出现了富Ni, Al且具有B2结构的析出物，而未辐照区域此时则转变为单相固溶结构。Al0.3CoCrFeNi在辐照条件下，辐照区域和未辐照区域呈现出相反的析出行为且其随着温度发生转变的原因在于当温度小于/等于 500 ºC时，原子的热扩散速率相对较低，此时析出物形成和生长的热力学驱动力的相关效应被抑制了，因此辐照过程中移位级联引起的成份互溶效应占主导，抑制了辐照区域内析出物的产生和生长。而当温度升高至650 ºC时，此时析出物形成和生长的热力学驱动力占据主导地位，辐照引起的缺陷一方面促进了元素的迁移，另一方面成为析出物形成的形核点，因此其反而促进了析出物的形成(Acta Materialia 188 (2020) 1-15)。
文献链接：[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
图3. 3 MeV Au离子辐照后的Al0.3CoCrFeNi的29 at. % Ni等浓度表面图(绿色)。
作者简介 杨腾飞，男，1984年12月生，博士，副教授。 2014年于北京大学核物理与核技术国家重点实验室学习并获得博士学位，2016至2019年在美国田纳西大学核能工程系进行博士后研究(合作导师：Steven Zinkle)。一直从事核能材料辐照损伤方面的研究工作。2019年5月加入湖南大学材料科学与工程学院。近些年来，在高熵合金、MAX相和氧化锆陶瓷辐照损伤研究中取得多项研究成果。主持国家自然科学基金青年项目1项，参与国家自然科学基金重点项目1项，以第一作者发表SCI论文14篇，其中包括Acta Materialia 3篇，Scripta Materialia 1篇，Journal of Nuclear Materials 4篇等。
