单晶相固溶体合金抗辐照性能的多尺度模拟研究

Single-phase concentrated solid-solution alloys (SP-CSAs) exhibit uniquely excellent mechanical properties, such as high yield strength, high thermal stability and excellent radiation resistance. Because of these superior properties, SP-CSAs are considered as potential candidates for fission and fusion reactor applications. High doses of neutron irradiation may result in producing dislocation loops and void defects, and causing swelling and worsening ductility for SP-CSAs, which seriously affects their applications in nuclear reactors. Currently, because of lacking research on the structural evolution of radiation defect clusters, the fundamental understanding of the radiation resistance of SP-CSAs is particularly important for their applications. For a common system (NiCoFeCr) of SP-CSAs, this project will build and optimize the interatomic potentials of these component and typical alloys, and study the microstructural change and the evolution of defects and defect clusters after irradiation through a multi-scale simulation method. To establish a reliable irradiation resistance of constitutive relation, it is necessary to estimate and predict the material performance under irradiation. A high-throughput computing, in turn, can be used to filter and design advanced radiation-resistance materials that can be used in advanced nuclear reactors.

单晶相固溶体合金具有优异的力学性能,可以作为将来先进核反应堆结构的候选材料。高剂量中子辐照可能导致单晶相固溶体合金产生位错环和孔洞缺陷，从而引发肿胀、脆化、延展性下降等性能恶化问题，从而严重影响先进核反应堆的运行寿命和安全性。目前针对单晶相固溶体合金辐照缺陷演化的研究非常缺乏，开展单晶相固溶体合金抗辐照性能评价的研究很有必要。本项目针对单晶相固溶体合金的常见体系(NiCoFeCr)，构建并优化相关的原子间相互作用势，通过多尺度模拟方法系统研究材料微观结构及辐照后缺陷演化规律，建立一个可靠的抗辐照性能的本构关系，由此来评估和预测材料的抗辐照性能,进而能够用高通量计算来筛选和设计抗辐照的先进材料，为将来先进核反应堆结构材料的选择与优化提供指导。

单晶相固溶体合金因其优异的热力学性能、抗腐蚀性能、磁性能等而受到广泛关注，可作为将来先进核反应堆结构的候选材料。已有研究发现，不同于传统合金材料，高熵合金中辐照缺陷演化规律非常复杂，其中缺陷生长早在辐照初始阶段便受到抑制，但相关抗辐照机制仍不十分明确。此外，高剂量中子辐照会导致单晶相固溶体合金产生位错环和孔洞缺陷，从而引发肿胀、脆化、延展性下降等性能恶化问题，这将严重影响先进核反应堆的安全稳定运行。目前针对单晶相固溶体合金辐照缺陷演化的研究非常缺乏，开展单晶相固溶体合金抗辐照性能评价的研究很有必要。（1）在本项目中，我们针对单晶相固溶体Ni-Co-Cr-Fe体系，对最新发表的Ni-Co-Cr-Fe势函数进行验证和短程修正，确保其适合辐照效应模拟研究。（2）基于验证后的Ni-Co-Cr-Fe势函数，应用分子动力学方法系统研究了一元到四元单晶相固溶体合金的级联效应与辐照缺陷的演变规律，研究发现单晶相固溶体合金中辐照缺陷随PKA能量的增长比Ni更为缓慢，这与其较强的热峰和较低的热导率有关，延缓了其热耗散从而增加了其缺陷复合率。该机制被发现同样也存在于具有抗辐照性能的其他单晶相固溶体合金体系中，证实了该机制的可靠性和普遍性，促进了相关研究的发展。（3）研究了单晶相固溶体合金在辐照条件下缺陷团簇的结构演化，发现了更难形成位错环的间隙团簇行为以及更容易形成堆垛层错四面体（SFT）的空位团簇行为。该模拟结果与实验上观测到的单晶相固溶体合金中缺陷尺寸较小以及SFT较稳定等现象很吻合。（4）采用蒙特卡洛方法研究了单晶相固溶体合金在辐照条件下孔洞的形核及其生长规律。发现Ni中空位很容易形成孔洞，但空位在单晶相固溶体合金中更容易形成SFT而非孔洞，从而抑制了孔洞的形成及肿胀，这与已有STEM实验观测十分吻合。（5）对比了一元到四元单晶相固溶体合金抗辐照机制的差异性，揭示了通过控制组成成分来调控单晶相固溶体合金抗辐照性能的关键机制，建立了一个可靠的抗辐照性能的本构关系。