高温重离子辐照下长程有序(Fe, Ni)3V合金的位错亚结构演变及其辐照硬化机制研究

为解决第四代核反应堆结构材料在高温辐照环境下的性能退化问题，研究人员针对L12型(Fe, Ni)3V有序合金开展6 MeV Fe4+离子辐照实验（600°C/0.9 dpa）。通过TEM和纳米压痕技术发现，该合金通过反相边界优先吸收空位、位错束形成等独特机制，展现出优于无序Fe3V的辐照缺陷调控能力，为先进核能材料设计提供新思路。

　　

在开发第四代核反应堆的进程中，材料在高温（400-1000°C）和高剂量中子辐照（10-200 dpa）下的性能稳定性成为关键瓶颈。传统结构材料面临辐照肿胀、硬化等问题，而具有长程有序（LRO）特性的金属间化合物展现出独特优势——不仅能通过Kear-Wilsdorf锁等位错亚结构维持高温强度，还能将辐照缺陷维度从一维扩展至三维从而促进复合。然而，这类材料的本征脆性和辐照响应机制不清制约其实际应用。

北京大学离子束材料实验室的研究团队选择具有670°C临界有序温度的L1₂型(Fe_0.61Ni_0.39)₃V合金作为研究对象，通过6 MeV Fe⁴⁺离子辐照模拟中子损伤（峰值损伤0.9 dpa），并与无序Fe₃V对照组进行系统对比。研究采用聚焦离子束（FIB）制备样品，结合像差校正透射电镜（STEM-ABF）和会聚束电子衍射（CBED）分析缺陷构型，通过纳米压痕连续刚度测量（CSM）定量硬化效应。

实验结果揭示多重创新发现：

1. 结构稳定性：SAED衍射证实L1₂有序相在辐照后保持稳定，反相边界（APB）密度未发生显著变化。
2. 位错构型异常：无序Fe₃V中形成常规位错环（5.6 nm）和长线缠结，而(Fe, Ni)₃V中则出现独特的位错束结构——由<220>取向的短位错线段（65-70 nm）与波浪形位错交织组成，且延伸至非辐照区1 μm以上。
3. 缺陷演化机制：APB作为空位优先吸收阱，使(Fe, Ni)₃V的间隙原子存活率提高，位错密度（2.54×10¹⁴ m^-2）显著高于Fe₃V（1.43×10¹⁴ m^-2）。
4. 硬化敏感性：位错束导致(Fe, Ni)₃V的辐照硬化增量（0.62 GPa）比Fe₃V高60%，分散障碍硬化模型（DBH）证实其主要源于位错线密度增加。

讨论部分深入阐释了LRO结构对缺陷演化的调控机制：通过第一性原理计算类比Ni₃Al体系，指出Fe/Ni亚晶格空位迁移能（~1.28 eV）远高于间隙原子（0.14-0.30 eV），促使间隙型缺陷主导微观结构演变。特别值得注意的是，预存滑移带通过辐照增强滑移（radiation-enhanced glide）效应，成为位错传输通道，这解释了位错束向非辐照区扩展的现象。

该研究发表于《Journal of Materials Research and Technology》，首次系统阐明了L1₂型(Fe, X)₃V合金的辐照损伤机制，不仅为抗辐照材料设计提供理论依据，更通过位错束构型的发现拓展了有序合金缺陷工程的研究维度。研究建立的位错密度-硬化定量模型，可直接指导未来核反应堆结构材料的成分优化与性能预测。