间隙碳原子对高熵合金辐照行为的影响

随着我国提出早日实现“碳中和”的战略目标，建立健全绿色低碳循环发展的经济和工业体系，推动我国能源发展迈上新台阶已经成为国家能源发展的主题。先进的核能系统可以提供绿色安全高效的能源，是保障我们可持续发展经济的重要工业体系。因此这也对核能系统的材料服役性能提出了更高的要求。近年来，研究人员发现高熵合金在机械性能，抗腐蚀以及抗辐照行为方面有着优异的表现，在候选的核结构材料中有着独特的优势。

早期的研究工作主要是通过改变高熵合金中元素数量类型，以及浓度来调控材料中的辐照缺陷行为。随着体系中化学复杂性的增加，虽然能一定程度上抑制辐照肿胀，但也会带来辐照硬化以及相不稳定。

小间隙原子在传统合金的制备和应用上有着广泛的应用，可以很好地调控材料的各项机械性能。但它对高熵合金中的辐照行为如何影响还未有全面和深入的研究。西安交通大学卢晨阳教授团队研究了在高温氦离子辐照下，小间隙碳（C）原子对高熵合金辐照缺陷行为的影响。论文的通讯作者还包括厦门大学冉广教授和西安交大王盛教授，本文中的样品由中南大学李志明教授提供。通过球差透射电镜比较掺杂/未掺杂碳原子的两种Fe49.5Mn30Co10Cr10C0.5/ Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金的辐照缺陷行为，分析小间隙碳原子对He泡形成，位错环演化，辐照诱导偏析以及辐照硬化的影响，并结合第一性原理计算揭示了间隙碳原子引起的晶格畸变和空位迁移能的变化来全面评估间隙碳原子的作用机制。此外还通过对比典型的Cantor合金FeMnCoCrNi来比较合金元素和小间隙碳原子的引入对高熵合金辐照行为的区别。

研究发现相比于Fe50Mn30Co10Cr10和Cantor合金，引入了小间隙碳原子的Fe49.5Mn30Co10Cr10C0.5合金在He泡肿胀率，辐照硬化以及位错环处的辐照诱导偏析程度方面均得到了显著的抑制，在多个辐照性能方面得到了很好的平衡。相比于之前通过改变高熵合金中主元元素类型和数量来调控辐照缺陷，本研究在高熵合金中引入小间隙原子的策略给我们提供了一个广阔的核用高熵合金设计思路。

图1.辐照He浓度峰值区三种材料的He泡分布

图2.辐照He浓度峰值区三种材料的He泡尺寸密度统计

图3.辐照后材料中的位错环分布，辐照剂量约1 DPA，[110]带轴下STEM-BF拍摄。

图4.三种材料中位错环尺寸，密度和类型统计

图5. Edge-on型位错环处的辐照诱导偏析

图6.三种材料位错环处的辐照诱导偏析程度对比

图7.第一性原理计算间隙碳原子附近的空位迁移能变化

图8.间隙碳原子在高熵合金中可以显著抑制辐照硬化和He泡肿胀，以及位错环处的辐照诱导偏析。

审核编辑：彭静