晶格畸变对含铝高熵合金AlxCoCrFeNi(0≤x≤0.3)的抗辐照损伤性能影响研究

High entropy alloys (HEAs) have attracted tremendous attention in the field of nuclear materials due to their great irradiation tolerance. High lattice distortion is an important microstructure characteristic of HEAs and also believed to play an important role in defect behavior and great irradiation tolerance of HEAs. However, there is no systematic experimental work to investigate and verify the effects of lattice distortion on the irradiation tolerance of HEAs. This project is proposed to conduct investigation on the irradiation-induced structural damage in an Al-containing single phase HEA system AlxCoCrFeNi (0≤x≤0.3), in which the lattice distortion can be continuously modified by changing the Al content x. The high temperature irradiation responses of HEAs with different Al contents, including irradiation-induced voids, dislocation loops, stacking fault tetrahedra (SFTs) and phase stability, will be systematically studied and compared to reveal the effects of lattice distortion on the irradiation tolerance of HEAs, which can provide implications for further improving the irradiation tolerance of HEAs.

高熵合金作为极有发展前景的抗辐照材料成为核材料领域的研究热点。高晶格畸变是高熵合金重要的微观结构特征，同时也被认为是影响其缺陷行为和导致其具有优异抗辐照性能的重要因素，然而目前晶格畸变对高熵合金抗辐照性能的影响仍缺乏系统的实验研究和验证。本申请项目拟选择单相含铝高熵合金AlxCoCrFeNi(0≤x≤0.3)作为研究体系，利用铝原子半径较大，材料体系的晶格畸变可以通过改变铝含量来连续调制的特性，通过系统地表征和对比高温离子辐照引起的空洞、位错环、四面体堆垛层错等晶体缺陷以及辐照条件下的相稳定性随铝含量的变化揭示晶格畸变对高熵合金抗辐照损伤性能的影响，为进一步的优化高熵合金的抗辐照损伤性能提供指导，也为深入理解高熵合金的抗辐照损伤机制提供实验依据。

晶格畸变被认为是影响高熵合金抗辐照损伤性能的关键因素，然而其效应一直没有得到实验上的充分验证同时相应的影响机制也并不清楚。本项目针对相关问题，提出利用含铝高熵合金体系AlxCoCrFeNi中晶格畸变能通过调节铝元素含量而显著改变的特性研究晶格畸变对高熵合金抗辐照损伤性能的影响。结合第一性原理计算、分子动力学和高温离子辐照实验系统地揭示了铝含量对AlxCoCrFeNi中缺陷行为以及级联演化的影响及相应的影响机制。计算及模拟结果发现，铝含量的增加会显著的增加整个体系的晶格畸变，具体表现为原子间间距的分布明显宽化，并且原子间距的变化并不局限在铝原子周围。同时，间隙原子和空位的形成能和迁移能也随着铝含量的增加而显著宽化。此外，铝的添加降低了间隙原子和空位的形成能，还造成间隙原子的迁移能增加而空位的迁移能减小。分子动力学模拟则表明，铝的添加在高熵合金CoCrFeNi中的移位级联的演化中引入了两种相互竞争的效应，一方面因为原子移位能和缺陷形成能的降低，造成级联中有更多缺陷的形成，而另一方面，因为热导率的降低导致级联演化时间延长，更多的缺陷在级联演化中被复合。这两种竞争效应造成级联中剩余缺陷的数量随着铝含量的增加先降低后增加，并在铝含量为5 at. %的浓度处呈现出剩余缺陷的极小值。在600度条件下的高温离子辐照实验表明，少量的铝含量添加(2.4 at. %)显著地降低了体系的空洞肿胀，但是随着铝含量的进一步增加(4.8 at. %)，体系的空洞肿胀则基本无变化，这在实验上验证了铝含量的添加及其引起的晶格畸变对于材料抗辐照损伤性能的非单调影响。. 本项目结合理论计算模拟和实验揭示了晶格畸变对高熵合金抗辐照损伤性能的两种竞争性效应，相关结果为设计和探索具有更高抗辐照损伤性能的高熵合金材料提供十分重要的理论依据。