导读： L12-具有优异室温和高温力学性能的强化高熵合金（HEAs）被提出作为先进核系统结构材料的有希望的候选者。然而，关于它们的辐射反应的知识相当有限。在本工作中，采用透射电子显微镜（TEM）和原子探针断层扫描（APT）研究了一种具有高密度L12用He离子在500°C照射纳米颗粒微观结构稳定性和辐射诱导偏析的演变。与单相FeCoNiCrHEA类似，其主要微观结构特征是许多大的断层位错环和氦气泡。APT分析表明，气泡周围发生了逆柯肯德尔机制主导的辐射诱导偏析（RIS），可以清楚地观察到显著的Co富集和Ni消耗。此外，在高度过饱和基质中，辐照增强扩散引起的弹道混合和元素聚类的竞争动力学，以及由于小晶格失配引起的低沉淀成核势垒，导致在辐照下出现动态沉淀溶解和再沉淀。预计这种有希望的现象将促进潜在的自我修复效果，并反过来在反应堆的运行寿命内提供可持续的耐辐照性。

世界对清洁能源的需求不断增加，需要加速开发用于先进Gen-IV核反应堆的新材料，其中材料被设计为面对温度升高、辐射通量更强和腐蚀性冷却剂等更恶劣的环境。由多种主元素组成的高熵合金（HEA）最近引起了广泛的关注，因为它们与传统合金相比具有许多优越的性能，例如优异的机械性能，耐腐蚀性，以及令人振奋的耐辐照性，显示出作为先进核能系统结构材料的巨大潜力。

引入高密度的缺陷汇可以有效减轻损伤积累，增强材料的辐照耐受性这已广泛应用于许多传统材料，例如纳米晶粒和多纳米层材料，纳米多孔材料和氧化物分散强化钢。相比之下，单相高熵合金提供了一种减少缺陷损伤的新方法，因为它们独特的缺陷演变是由化学复杂性和局部晶格畸变引起的。 具体而言，早期的实验和模拟研究表明，高熵合金增加的组成复杂性可以有效降低间质流动性并增强空位-间质重组，从而提高抗膨胀性和延迟位错环生长。在Ni2+-在500°C下照射。结果表明，随着组成复杂度从NiFe、NiCoFe、NiCoFeCr到NiCoFeCrMn的增加，断层位错环向全位错环的转变可以得到抑制[20]。研究了在400°C下用高能电子照射的FeCoCrNi HEA的缺陷结构，发现FeCoCrNi HEA中位错环的生长速度比纯Ni慢40倍。

尽管在一些单相高熵合金上已经证明了良好的耐辐照性，特别是镍浓缩高熵合金，但它们的大部分强度在先进核反应堆可能遇到的高温下并不令人满意。最近，高熵合金通过L12加强纳米粒子因其优越的室温和高温力学性能而受到越来越多的关注。Yang等人设计了具有高密度纳米尺寸L12的新型高熵合金颗粒通过精细的成分和微观结构调整。由此产生的高熵合金表现出优异的机械性能组合，即与单相高熵合金相比，增强至GPa强度，延展性甚至更高。

我们最近证明，含Nb的L12-强化高熵合金可以在高达870°C的温度下保持高强度，优于大多数高熵合金和许多商业高温合金。更重要的是，Du等人展示了金属材料中高密度超晶格纳米沉淀物。例如，Fe 中的B2纳米颗粒的可逆和快速局部无序有序转变。Fe75Ni18Al3Mo4在高温下的重离子辐照下。这样的动态过程可以有效地消除涉及辐射的损伤，从而产生极高的辐照耐受性。然而，对那些具有吸引力机械性能的高熵合金的辐照响应的研究仍然相当有限。

除了优异的机械性能外，L12-强化高熵酸在提高耐辐照性方面显示出令人鼓舞的迹象。一方面，面心立方（FCC）基体可以在一定程度上保持化学复杂性（固溶相）的优势，以改善辐照。另一方面，L12纳米颗粒可以进一步作为潜在的缺陷汇，以减少结构损伤，从而提高耐辐射性。特别是，这些颗粒可能潜在地提供He捕获和气泡成核位点，从而减轻氦气积聚以及相关的对膨胀，硬化和脆化机械性能的不利影响。氦诱导的机械性能退化是先进裂变和拟议聚变能系统最艰巨和最重要的挑战之一。因此，He辐照L12-的辐照性能在高温下强化高熵合金具有极大的兴趣和技术，远未被开发。

哈尔滨工业大学（深圳）赵怡璐教授团队对此进行了研究，一种L12强化的HEA，其标称成分为Ni30Co30Fe13Cr15Al6Ti6(at.%，以下记为Al6Ti6)在500℃下进行氦辐照。参考文献描述了材料的初始结构和详细的热力过程。L12相的体积分数约为37.3%，平均粒径为29±5 nm。系统地评价了辐照反应包括气泡形成、结构损伤、辐射诱导偏析(RIS)和相稳定性。进一步讨论了L12纳米粒子对He包封的影响。

相关研究成果以题为“Enhanced helium ion irradiation tolerance in a Fe-Co-Ni-Cr-Al-Ti high-entropy alloy with L12 nanoparticles”发表在期刊Journal of Materials Science & Technology上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030222008180

图 1. （a）预测的氦浓度和辐照剂量的深度依赖性分布。（b）在500°C下照射的Al6Ti6HEA横截面TEM样品的相应明场TEM图像。（c）在聚焦不足条件下所需的代表性放大视图，显示500-700nm照射深度下He气泡的分布。（d）高峰期气泡的大小分布

如图2（a）中的黄色箭头所示。进一步应用相对杆暗场（DF）TEM图像表征故障环的分布，其中可以清楚地观察到故障位错环的强深度依赖性分布，即故障位错环的数量密度从样品表面增加到辐照影响区域。有趣的是，有一个强大的应变场，其特征在于纳米气泡周围的暗环对比（由红色箭头突出显示）。这种暗环对比度随倾斜条件而变化，并且与焦点条件无关。一个典型的例子如图2（a）的右列所示。上方两张具有菲涅耳对比度（聚焦不足和过度聚焦）的TEM图像显示了纳米气泡的位置。显然，纳米气泡的周围区域在相应的弱光束暗场图像中被启发，因为应变场在布拉格条件下导致该区域。这可能是由于气泡内部的高压或基体和偏析区域之间由偏析引起的晶格不匹配。这种过压气泡可能导致空位捕获气泡的偏差，从而影响RIS行为。

图2 代表性（a）高炉透射电镜图像显示了He离子辐照Al6Ti6 HEA中的许多断层位错环。具有聚焦不足、过度聚焦的放大视图以及右列上相应的弱光束暗场图像，展示了纳米气泡周围的应变场。（b）显示故障回路的Relrod DF-TEM图像。

为了揭示在500℃He离子辐照下Al6Ti6 HEA的相稳定性，采用透射电镜(TEM)和APT联合分析方法研究了辐照后有序L12纳米颗粒的分布。图3显示了从不同辐照剂量区域获得的L12纳米颗粒的代表性DF-TEM图像，并显示了底部柱所示的< 112 >区域轴上的相应选定区域衍射图(SADPs)。所示剂量值来自于SRIM计算，即?0.2 dpa代表表面附近区域，?1.6 dpa对应500 ~ 700 nm深度的峰值损伤区域。0 dpa区域的特征，无论是DF-TEM图像还是SADP，都取自1.5 μ m以上的深度区域，其中涉及到微观结构的热效应而不是辐照效应。结果清楚地表明，随着剂量水平的增加，有序的L12纳米颗粒逐渐收缩，再加上SADPs中逐渐暗淡的超晶格衍射点(用黄色虚线圈表示)，表明有序的纳米颗粒在辐照下趋于溶解。此外，超晶格与基反射强度的相对比值，如I110/I220，与L12有序晶体的有序参数(S)有近似关系，即S2 I110/I220。为了进一步验证，通过Gatan数字显微摄影软件测量了R(I110/I220)的强度曲线。结果显示，R0 > R0.2 > R1.6，其中下标表示剂量水平。强度比再次逐渐减小，表明有序纳米颗粒溶解导致有序度降低。换句话说，辐照诱导的有序纳米颗粒的无序发生在目前的HEA。

图3 展示L1演变的DF-TEM图像2降水随损坏程度的变化而变化。沿〈112〉区域轴的相应SADP显示在底部列中。

图4（a）重建了从峰值损伤区域获取的典型APT针。使用40 at.% Ti + Ni（绿色）的等值面来描绘有序的纳米颗粒。有趣的是，尽管纳米颗粒略有扭曲，但在FCC基质内部明显观察到许多富含Al和Ni（半径约1nm）的细簇，由28 at.%Al+Ni（蓝色）的等值面突出显示。得到的L12的化学组成纳米颗粒和FCC基质与Yang等人报告的原始样品相同。在未辐照区域找不到团簇，证明了本合金的高热稳定性。

图 4.（a）从峰损伤区域对APT针进行3D重建。使用40%Ti + Ni（绿色）的等值面描绘辐照后的有序纳米颗粒，而28%Al+Ni（蓝色）的等值面表示辐照诱导的纳米团簇在基体中的再沉淀。（b）相应的化学概况分别列于（b）和（c）中。

图 5.未照射区域下的典型APT重建以及跨基质/沉淀物相间边界的相应化学剖向。

图 6.STEM-HAADF图像显示了He植入峰处深色对比度的He气泡分布。单个元素的EDS映射显示了He气泡在沉淀物/基质界面处的优先捕获（由红色虚线圆圈突出显示）。L1内部形成的气泡2粒子用蓝色虚线圆圈标记。

图7.相关TEM/APT研究显示辐照Al6Ti6峰损伤区域中氦气泡的位置。（a） APT尖端的对焦高炉-TEM图像。（b）相应的低焦高炉-透射电镜图像。（c）和（d）分别显示Ni和Co浓度图的2D投影，显示了气泡周围的偏析行为。APT切片的厚度为2纳米。气泡的示例由（d）中的红色虚线圆圈表示。沿（c）和（d）中箭头标记的方向的成分剖面分别显示了垂直于SF平面（e）和穿过气泡（f）的元素的定量分布。

图 8.在辐照的 Al6Ti6 HEA 的峰损伤区域中 ATP 切片（厚度为 2 nm）的各个元素的 2D 投影，显示了辐照下的化学再分布。

L1的结构损伤、辐射诱导偏析和相稳定性已仔细评估沉淀物。在氦辐照高熵中发现了许多尺寸相当大的断层位错回路，表明与其他单相高熵合金一样，环路生长延迟。TEM和APT的组合表征表明，与单相FeCoNiCr高熵烧相比，目前的L12-加强HEA，暗示L1的存在2纳米沉淀物可以延缓气泡生长，进而促进增强的耐辐照性。进一步的结果表明，随着通道宽度变小，相干沉淀物/基质界面表现出良好的He原子捕获效率，有助于减轻辐射损伤，减小气泡尺寸。L1的 RIS2通过APT分析定量检查了He离子照射下的强化Al6Ti6 HEA。结果表明，He气泡周围存在强烈的Co偏析和Ni消耗，这可能是由于逆Kirkendall机制造成的。动态析出物发生溶解和再沉淀，以保持L12的有益微观结构沉淀物和化学复合物FCC基质，显示出可持续的耐辐照性的潜在“自愈效应”。