01   全文速览

在这项工作中，我们通过混合分子动力学(MD)和蒙特卡罗(MC)模拟阐明了CrFeNi合金中局域化学有序（LCOs）的形成及其对辐照损伤行为的影响。通过模拟1000次累积级联过程，我们发现有序构型中缺陷团簇和位错环的尺寸比随机构型中的小，尽管前者形成了更多的Frenkel对（即自间隙和空位）。此外，位错环在有序构型中分布相对弥散，与辐照肿胀相关的压杆位错也更少。从原子键合、迁移路径和缺陷扩散能量等方面讨论了LCOs对缺陷形成和演化以及抗辐照性能的影响，这为设计具有优异抗辐照性能的多主元合金提供了理论指导。

02   研究背景

多主元合金（MPEAs），包括高熵合金，由于其优异的抗辐照性能成为潜在核材料而备受关注。MPEAs最初被认为是一种随机固溶体，在晶格位置上具有均匀分布的不同原子种类。然而，最近越来越多的研究表明其存在局域化学有序（LCOs）。LCOs对MPEA性能的影响，特别是对力学性能的影响，已成为研究热点。研究表明LCOs可以显著改变位错密度及其分布，从而改变材料的强度和塑性。局域化学有序的有序程度对加载时MPEA中缺陷的形成和演化有关键作用，例如改变位错运动的堆垛层错能和局域能量势垒。由此可见，局域化学有序必然与辐照过程中原子级联碰撞下的缺陷形成和演化有密切关系。因此，研究LCOs对辐照损伤的影响具有重要意义。本文详细研究了LCOs对辐照缺陷产生和演化以及位错环形核和长大的影响，探讨了其增强MPEA抗辐照性能的潜在机制。

03   本文亮点

（1）LCOs会促使辐照过程中位错在有序区域形核，但抑制了位错长大。

（2）LCOs可抑制与层错四面体(SFT)相关的压杆位错形成，这可能有助于抑制辐照肿胀。

（3）LCOs有助于提高多主元合金的抗辐照性能。

04   图文解析

图1 (a)MC交换过程中的势能演变及随机/有序构型原子图像 (b)随机/有序构型对应的Warren–Cowly (WC)参数

图2 随机/有序CrFeNi构型中点缺陷数目随级联次数/dpa的变化

利用蒙特卡洛(MC)方法进行原子交换以获得含有局域化学有序的有序构型，并记录随机构型向有序构型转变过程中的能量变化。通过Warren–Cowly (WC)参数计算确认CrFeNi多主元合金中存在由富Cr团簇和Ni-Fe短程序组成的化学有序。将两种构型进行1000次累积级联碰撞模拟，记录下Frenkel缺陷对随级联次数的变化。

图3 不同级联次数下(100、300、500、800、1000)，随机/有序样品中点缺陷的空间分布 绿色小球代表间隙原子，蓝色小球代表空位原子

图4 随机/有序样品在不同级联次数之后点缺陷团簇(单个点缺陷/小团簇/中团簇/大团簇)的演变规律。（a-d）为间隙团簇，而（e-h）为空位团簇

图5 最大团簇尺寸随级联次数的演变曲线。(a) 间隙团簇和 (b)空位团簇

尽管点缺陷数目上随机构型更少，但其间隙相较于有序构型分布更加集中，聚集形成大团簇的趋势更加明显。在随机构型中，参与形成大间隙团簇（>100间隙）的原子数量较高，而在有序构型中，更多的原子参与形成小间隙团簇（2-30间隙）和中间间隙团簇（31-100间隙）。在随机构型中有更多的原子形成大尺寸的空位团簇（>30空位），而有序样品中大空位团簇的尺寸不会随着级联数的增加而显著改变。换言之，LCO有效地抑制了空位团簇的生长。200次级联以前，最大间隙团簇尺寸几乎没有差异。在200次累积级联后，差异变得明显。经过1000次级联，随机构型中最大间隙团簇尺寸近乎于有序构型的两倍。与间隙团簇相比，最大空位团簇的尺寸差异相对较小，因为空位更难聚集。然而，随机构型中最大的空位团簇的尺寸仍然显著大于有序构型。这些结果表明，LCOs的存在有利于抑制间隙和空位的聚集长大。

图6 不同级联次数后(100、300、500、800、1000)，随机/有序样品中位错的空间分布

图7 位错线长度随级联次数的变化。(a) 所有错位线和 (b) 压杆错位

有序构型中的位错缺陷更多，位错线长度更长，但位错分布较弥散，形成的位错环尺寸较小。与层错四面体(SFT)相关的压杆位错不论总长度还是最大缺陷尺寸在有序构型中都更少(小) ，这可能有助于抑制辐照肿胀。以上结果表明有序构型的抗辐照性能可能更加优异。

图8 不同原子类型间隙的原子占比分布。(a) 随机构型和 (b) 有序构型

图9 随机/有序样品中位错环的分布及其局域放大图像

图10 (a)间隙迁移能和 (b)空位迁移能在随机/有序样品中的分布

有序构型中Cr原子的偏聚使有序样品具有大量的Cr-Cr键，其键合强度弱于不同元素之间的原子键。这种趋势使得含LCO样品中的偏聚Cr原子在辐照下比其他两种成分更容易形成间隙，亦容易局部结构坍塌充当位错环的形核位置。如图9中位错环总是倾向于在有序样品的Cr偏聚区域内形成，LCO促进了位错的形核。然而，LCO的形成会增加点缺陷的迁移能，使点缺陷扩散变得困难。同时，点缺陷的迁移又会破坏LCO，从而使缺陷扩散在能量上不利。因此，LCO的存在促进了辐照过程中位错的形核，却又抑制了位错的长大。

05   结论展望

我们研究了CrFeNi-MPEAs中LCOs的形成及其对辐照诱导缺陷形成和演变的影响。证实了CrFeNi-MPEA中存在由富Cr团簇和Ni-Fe短程序组成的LCOs，这会导致较低的系统能量和构型熵。Cr元素的偏聚使含LCO的样品具有大量Cr-Cr键，其键合强度比不同种类的原子键弱，使得Cr原子很容易形成间隙，并在辐照过程中充当位错环的形核位置。LCOs的存在导致更高的间隙迁移能和空位迁移能，这使得间隙和空位更难在有序样品中迁移和聚集，进而抑制位错环的长大。特别是，有序样品中与层错四面体(SFT)相关的压杆位错较少，这可能有助于抑制辐照肿胀。所有这些结果表明，LCO的存在有助于提高材料的早期抗辐照损伤性能。这些发现不仅加深了对于MPEA中原子结构与辐照损伤关系的理解，也为设计具有良好抗辐照性能的MPEA提供了理论依据。

06   引用本文

L.Q. Liu, X.J. Liu, Q. Du, H. Wang, Y. Wu, S.H. Jiang, Z.P. Lu, Local chemical ordering and its impact on radiation damage behavior of multi-principal element alloys, J.  Mater. Sci. Technol. 135 (2023) 13–25.