多温区He离子辐照下VTaTi难熔高熵合金与钒元素中He气泡形成机制的对比研究

为解决核反应堆结构材料面临的He脆化与位移损伤协同威胁，北京理工大学团队对比研究了BCC结构VTaTi难熔高熵合金(RHEA)与纯V在不同温度(室温至700℃)下的He气泡形成行为。研究发现VTaTi中气泡尺寸与体积分数均显著大于纯V，通过第一性原理计算揭示了其低空位形成能、低He迁移势垒等机制，为RHEA在核能应用中的性能优化提供了新见解。

　　

在核能技术快速发展的背景下，反应堆结构材料面临双重挑战：高剂量位移损伤(dpa)和(n,α)核反应产生的He原子引发的脆化效应。He与空位相互作用形成的气泡会显著降低材料高温力学性能，甚至引发脆性断裂。传统材料已难以满足需求，而具有独特性能的高熵合金(HEAs)尤其是难熔高熵合金(RHEAs)展现出巨大潜力。然而现有研究存在矛盾：部分HEAs能抑制气泡生长，但某些RHEAs如HfNbZrTi却表现出更严重的气泡粗化现象。这种差异背后的机制尚不明确，特别是温度因素的影响更缺乏系统研究。

北京理工大学的研究团队选择具有优异热稳定性和辐照抗性的VTaTi RHEA为研究对象，通过对比其与纯V在2.5 MeV He离子辐照下的行为，揭示了温度对气泡演化的调控规律。研究采用电弧熔炼制备样品，通过透射电镜(TEM)观察气泡形貌，结合SRIM软件模拟损伤分布，并运用第一性原理计算关键缺陷能量参数。

实验结果部分显示：在室温至700℃范围内，VTaTi中的He气泡尺寸和体积分数始终大于纯V。室温辐照时，VTaTi气泡平均直径达4.1 nm，而纯V仅2.8 nm；700℃时差异更显著，VTaTi出现>20 nm的大气泡。通过STEM-ABF像分析发现，VTaTi中气泡呈非对称分布，且存在明显的成分波动带。

讨论部分指出，这一反常现象与经典Ni-Co-Fe-Cr系HEAs的"高复杂度抑制气泡"规律相反。第一性原理计算揭示了三大机制：(1)VTaTi的空位形成能(E_f^V)比纯V低0.35 eV，促进空位生成；(2)He迁移能(E_m^He)降低0.18 eV，加速He聚集；(3)He-空位复合体结合能(E_b)更低，有利于气泡成核。温度升高时，VTaTi中增强的"踢出机制"进一步促进气泡粗化。

该研究首次系统阐明了BCC结构RHEAs中He气泡的异常生长行为，突破了"高熵效应必然抑制辐照损伤"的传统认知，为核用材料设计提供了重要理论依据。论文发表于《Journal of Alloys and Compounds》，其发现对理解化学复杂性与辐照缺陷的交互作用具有普适意义，特别指出现有HEAs抗辐照理论在BCC体系中的局限性，为开发新一代抗辐照材料指明了方向。