全文速览

团队提出通过调控间隙氧溶质浓度的方法去提升体心立方（BCC）多主元合金抗辐照性能的新策略，通过向NbZrTi基多主元合金中添加不同浓度的间隙氧原子，可以实现局部化学有序（LCO）和晶格畸变程度的调控。研究发现这种由氧诱导的原子尺度化学不均匀性能够有效抑制氦泡、位错环和析出相等辐照缺陷的形成与长大。该工作为设计用于先进核能等领域的耐辐照合金材料提供了一种新的实用策略。

研究背景

传统面心立方（FCC）结构的多主元合金（MPEAs）的中子吸收截面较高，且高温力学性能不足。而BCC的MPEAs，如NbZrTi基合金因兼具低中子吸收截面、高温稳定性及潜在抗辐照性能备受关注。然而在高温辐照条件下，材料的He泡肿胀、位错环与析出相的演化仍是制约其应用的关键问题。近年来人们发现在NbZrTi中掺杂间隙氧原子可以有效提高材料的强塑性，但间隙氧原子对辐照损伤行为的影响还未被揭示，通过揭示间隙氧原子对辐照损伤行为的影响有望设计出优异强塑性且抗辐照的NbZrTi基难熔高熵合金。

本文亮点

图文解析

研究团队通过精准调控NbZrTi基合金中的间隙氧浓度（1-3at.%），结合球差透射电镜的原子尺度表征与第一性原理计算，揭示了氧原子对辐照缺陷的抑制作用：

1.局部化学有序（LCO）增强：通过原子相和对应的EDS和IFFT变换，发现合金中形成了尺寸约为1nm的LCO区域，并且间隙氧与Ti/Zr形成富集区，LCO面积比例从NbZrTi的12%提升至NbZrTi-3O的32%，这些高密度的LCO区域和元素偏析会形成一些低能垒位点，阻碍空位扩散（图1）。

图1. LCO的表征。(a)-(b) 分别为NbZrTi和NbZrTi-3O沿[100]轴的HAADF晶格图像。插图显示了对应的FFT，黄色圆圈标记了由LCOs生成的额外反射光盘，蓝色圆圈代表bcc基体的布拉格点。(c)-(d) NbZrTi和NbZrTi-3O中反傅里叶变换（IFFT）图像，若干代表性的LCO区域用黄色圆圈标出。(e)-(f) LCO的尺寸分布和面积分数。(g) NbZrTi-3O的HAADF原子图像及其相应的原子级元素分布，蓝色框表示富氧区域，白色框表示缺氧区域。

2.局部晶格畸变加剧：通过对原子像采用GPA和晶格应变的定量分析，发现其晶格畸变的展宽从NbZrTi的0.092到NbZrTi-3O的0.116。另一方面采用密度泛函理论也发现NbZrTi-3O的晶格畸变相比NbZrTi提升了22%。这种局部晶格畸变的增加会显著抑制空位与间隙原子的迁移，促进点缺陷复合，从而减少氦气泡的形核与生长（图2）。

图2. 局部晶格畸变的表征。(a)-(b) 分别为NbZrTi和NbZrTi-3O的HAADF原子图像及相应的GPA原子应变。 (c)从原子应变中得出的统计分布。绿色和棕色曲线分别表示对NbZrTi和NbZrTi-3O的原子应变概率密度的高斯拟合。 (d) 通过密度泛函理论（DFT）计算得出不同氧浓度掺杂的NbZrTi基合金中的晶格畸变（线性拟合曲线）。

3.辐照缺陷抑制效果显著：

3.1 氦气泡肿胀降低3倍：在873 K辐照下，NbZrTi-3O合金的氦泡体积肿胀率仅为0.51%，远低于NbZrTi合金的1.33%（图3）。

图3. 不同氧浓度下NbZrTi基合金中He泡的演变。使用透射电子显微镜（TEM）明场下的欠焦比较了NbZrTi、NbZrTi-1O、NbZrTi-2O和NbZrTi-3O在(a) 673 K、(b) 773 K和(c) 873 K的峰值区域中He泡的分布。(d)表示He泡的尺寸，(e)表示He泡的密度，(f)表示峰值区域的He泡肿胀率。

3.2位错环尺寸减半：位错环平均尺寸从NbZrTi的34 nm降至NbZrTi-3O的17 nm（图4）。

图4. 不同氧浓度下NbZrTi基合金中位错环的演变。 (a) 在873 K下，NbZrTi、NbZrTi-1O、NbZrTi-2O和NbZrTi-3O的[100]轴下的位错环分布，(b) 为放大视图。(c) 表示位错环的尺寸分布，(d) 表示不同氧浓度下NbZrTi基合金中位错环的平均尺寸和密度的演变。

3.3析出相生成被抑制：相比NbZrTi合金，NbZrTi-3O的Zr-rich析出相的尺寸与密度显著降低，这可以显著提升合金的相稳定性（图5）。

图5. 不同氧浓度下NbZrTi基合金中的析出物。(a)和(b)分别表示在873 K和1 DPA条件下，NbZrTi和NbZrTi-3O中析出物与He泡的分布，红色箭头表示析出物。 (c)–(e) 显示了在873 K下NbZrTi中三种典型的析出物-气泡复合体，(f) 表示基体与析出物之间的取向关系。 (h) 显示了873 K下NbZrTi中典型析出物周围He气泡的元素分布。

总结与展望

该工作不仅为BCC结构MPEAs的辐照损伤机制提供了新见解，更提出了通过间隙氧原子优化化学不均匀性的普适设计策略。这归因于间隙氧增强了LCO，它减缓了氦原子的扩散，从而降低了氦泡的成核和生长速率。此外，间隙氧引入的局部晶格畸变和原子应力场的波动阻碍了空位和自间隙原子的扩散。这种缺陷动力学的变化促进了点缺陷的重组，并限制了位错环的增大。此外，点缺陷的跳跃速率降低减缓了辐照增强扩散，有效抑制了辐照诱导析出相的成核和生长。本研究证明了使用间隙氧来调节难熔高熵合金中LCO和局部晶格畸变的有效性。这一策略不仅提高了合金的辐照耐受性，还有望为先进核反应堆中的合金设计提供有前景的路径。

作者介绍

卢晨阳，西安交通大学能动学院核科学与技术，教授/博导，国家级青年人才，入选爱思唯尔发布的2022-2024年全球顶尖2%科学家年度榜单。中国核学会辐照效应分会常务理事，中国核学会核石墨分会常务理事，SCI期刊《Materials Today Communications》编委，《Tungsten》杂志编委，中核工程有限公司特聘顾问，中核核动力院特聘专家。长期致力于先进核反应堆燃料与材料的研发与性能研究，研究方向主要包括先进核材料制备、材料中的辐照损伤，以及材料微观结构的先进表征等。发表包括Nature Communications，PNAS，Acta Materialia等SCI论文90余篇，文章总引用5500余次，H因子37。提出并验证了多种改进核材料抗辐照性能的策略，如结合组分调控和结构调控的多级构筑抗辐照合金设计策略，推动了高熵合金等新型材料在核能领域的应用。主持国家自然科学基金委重点联合基金项目一项，面上项目两项，主持科技部重点研发课题一项。

引用本文