高熵合金抗辐照损伤性能的可行性研究

In the modern world, developing high performance materials is still an important issue. High entropy alloys (HEA) composed of above 5 elements attract more and more attentions of researchers from nuclear industries for their excellent machineable, mechanical properties, high temperature resistance, high corrosion and irradiation resistance. However, alloys assembled by different element groups present diversity in structure and performance. The way for selecting elements with special function to synthesize HEA and to optimize the properties of HEA, which can be used in nuclear reactor with high performance, is therefore significant both in scientific and engineering fields. This proposal will employ Metropolis Monte Carlo (MMC) plus DFT, which was developed independently by our group, to study the thermodynamic stability of HEV composed of 5 elements. Furthermore, computational simulation methods with different time scales, such as DFT and rate theory, will be used to investigate the evolution of micro-structure and response of mechanical behavior of HEA under irradiation, including transmutation products (H/He) evolution in order to evaluate the integrated performance of HEA suffering from irradiation. The results acting as feedback help us to tailor the properties of HEA in the way of tuning the composed elements, and to achieve the target that synthesize HEA with excellent performance for use in nuclear industries. This proposal will offer great insights on the rational design of new high performance nuclear materials.

材料的优异性能是反应堆安全运行的保障。由五种以上元素组成的高熵合金因具有优异的机械、力学、耐高温及抗腐蚀等性能，而受到研究人员的关注，以期在核工业中得到应用。然而因其组成元素多，不同元素间的任意组合将会造成该类合金相结构与性能的多样性。如何优化筛选元素组分，并合成具有理想性能的高熵合金，使之提升核材料的性能，促进核工业的发展，不仅具有科学意义，同时还具有现实意义。本项目拟采用课题组独自发展的Metropolis Monte Carlo(MMC) + DFT方法计算5种组元构成高熵合金的相稳定性，进而结合其他算法模拟辐照下其微观结构、嬗变产物(氢/氦)的演化行为，以及力学性能的变化，综合评价辐照条件下材料的性能。以此作为反馈，再次利用MMC+DFT对组元进行调制，以优化材料性能，由此获得具有优异综合性能的反应堆候选结构材料。本项目可为合理设计具有优异性能的核反应堆候选结构材料提供新思路。

开发和探索兼具优异的机械性能，以及高温和高辐照通量下的抗辐照性能的新型核反应堆材料一直是研究者不懈努力的奋斗目标。目前，传统合金无法同时保证高强度和抗氢/氦脆性能，在性能改进上存在掣肘。迥异于传统合金设计范式的新型多主元合金（高熵合金），其内禀的全域无序性和高晶格畸变度，使其具有抗辐照损伤特性；其“鸡尾酒”效应，增加了合金性能调控的自由度。因此，高熵合金为突破传统材料的高强度与抗氢/氦脆之间的倒置关系，提供了更大的想象空间。然而，关于高熵合金的研究仍处于起步阶段，这源于制备高熵合金元素种类繁多，结构迥异，无法用常规的方法描述其结构-性能之间的关联规律。正是基于此背景，本项目开展了对其结构模型的预测构建，发现并定量了原子迟滞扩散与晶格畸变/局域化学环境之间的关系，及其所内涵的结构-物性-性能调控的一般规律的探索。这些将为高性能特定核用材料的研发提供设计思路。具体研究成果为：.(a)本项目采用多尺度数值模拟方法构建高熵合金稳定相结构，预测得到元素偏析现象被实验研究证实。进而开展各类缺陷在其体内演化行为以及力学性能等系列研究，为高熵合金在核工业领域的应用进行了有效的探索。.(b)阐释了高熵合金中短程序现象与元素原子半径、混合焓、原子间相互作用(特别从成键角度)间的关联行为。这为研究合金中元素偏析提供了提论依据。.(c)高熵合金中原子排布的化学无序以及晶格畸变导致的对称性破坏对预测嬗变产物(H/He)等杂质原子溶解、扩散、迁移等行为造成了困难。本项目通过第一性原理并结合统计方法归纳总结出普适的公式以适用于高熵合金中快速便捷计算杂质原子的溶解以及迁移特性。公式溯源了溶质原子在高熵合金中溶解的物理机制，定量了迟滞扩散与晶格畸变/局域化学环境的关系。.(d)研究合金各类晶界与拉伸理想强度以及延展性间的关系，与元素偏析的关联，阐述了晶界处位错发射的特性。阐释表面受He辐照产生绒毛状结构的内在机制。