溶质-氦-空位耦合重定向辐照诱导的缺陷演化：来自铝合金的启示

《Journal of Materials Science & Technology》：Solute-helium-vacancy coupling redirects irradiation-induced defect evolution: Insights from aluminum alloys

　　

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  Mg在辐照缺陷粗化之前改变了He–V的分配。
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  与Al或Al–Li不同，高He/dpa比率抑制了Al–Mg中大于20 nm的位错环。
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  Mg-He-V耦合效应重新定向了点缺陷通量并限制了位错环生长。
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  较高的Mg含量会产生更多数量、更小尺寸的辐照缺陷。

引言

先进核系统（第四代反应堆和未来研究堆）中的结构材料必须承受持续的位移损伤以及嬗变产生的氦（He）。高能粒子会产生可移动的空位和自间隙原子，而He在金属中的极低溶解度促使He与空位快速结合形成He–空位（V）复合物[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。这些复合物改变了缺陷迁移与空位–间隙复合之间的平衡[7,8]。因此，最终形成的微观结构不仅受位移剂量或He浓度控制，还受到He和点缺陷如何在可移动复合物、预先存在的陷阱和新形核团簇之间分配的影响。干预这种早期分配可能限制后续缺陷粗化，然而相关的局域构型在辐照过程中难以分辨。因此，确定合金化学成分如何重新定向这些耦合过程，对于探索在源头抑制点缺陷和He团簇形成的方法至关重要。

传统的缺陷控制策略主要依赖于界面作为缺陷陷阱，而单相固溶体通过改变局域应变、电子结构和点缺陷能量学，提供了一种原子级分布的替代方案。溶质–空位/间隙原子相互作用和空位介导的输运可以改变缺陷捕获和辐照诱导偏析[[9], [10], [11], [12], [13], [14]]，且强烈依赖于溶质化学性质[15]。因此，溶质效应不能仅通过晶格畸变或成分复杂性来描述[16]。相反，尺寸失配、电子特性以及与缺陷通量的耦合可能会重新定向He–V分布。关键问题在于，溶质仅仅是延缓缺陷迁移，还是在粗化之前建立了重新分配He–V复合物的独特局域路径。

铝（Al）合金因其低中子吸收截面和良好的工程性能而用于研究堆部件[[17], [18], [19], [20], [21]]，同时其成分明确的合金化学特性使其成为分离溶质–缺陷相互作用的可行平台。Peng等人[22]对各种铝合金化元素的计算表明，Al基体中溶质与空位之间的结合能受尺寸失配和电子贡献的综合影响。溶质原子不仅倾向于与孤立空位结合，还会形成更复杂的溶质-空位团簇，其中MgV₂等构型在能量上比孤立物种更有利。实际上，与仅位移辐照相比，含He辐照通常通过改变辐照诱导点缺陷的产生、迁移和团簇行为，促进高密度细小位错环的形成[23]。此外，He原子的行为也受到周围溶质的强烈影响。Toijer等人证明，在面心立方Ni基体中，溶质和点缺陷的耦合扩散是决定辐照诱导再分布方向（即富集或贫化）的关键因素[24]。Liu等人通过第一性原理计算进一步证实，钨基材料中He原子、空位和嬗变诱导溶质的共存显著改变了基体的弹性性能[25]。因此，He不是孤立的微扰，而是与点缺陷和溶质原子共同演化的耦合系统中的一个参与者。溶质含量是控制辐照诱导缺陷形核和生长的另一个决定性因素。我们最近的研究表明，Al–Mg–Si合金中的Si含量通过正电子湮灭对位错环演化和团簇形成产生显著影响[26]。这表明溶质浓度也决定了He原子和空位的迁移行为。然而，尽管许多计算研究提供了广泛的热力学预测，但现有工作大多局限于溶质-空位或He-空位复合物的二元框架。关于溶质、He和空位的协同效应及其在缺陷演化中的主导作用，系统的实验研究和原子尺度的机理理解仍然缺乏。

为填补这一空白，本研究以代表性的二元固溶体合金Al–Mg为研究对象，通过原位TEM系统研究了辐照诱导缺陷的演化。结果加深了对溶质元素如何控制位错环生长并抑制气泡形成的理解，从而揭示了合金化如何通过原子尺度修饰调控辐照损伤。

章节摘录

实验方法

纯Al、含2.2–3.5 wt.% Mg的Al–Mg合金以及Al–Li合金在辐照前经过固溶处理和完全再结晶，以获得单相固溶体基体。TEM样品通过机械减薄和双喷电解抛光制备。原位辐照在373 K下进行，使用400 keV Al?离子，通量为2.28 × 10¹² ions cm^?2 s^?1，以及30 keV He⁺，通量为4.84 × 10¹² ions cm^?2 s^?1。辐照损伤通过SRIM–2013评估，位移阈值...

溶质Mg与He的相互作用重新定向缺陷演化

图1(A–D, E–H)分别展示了在顺序Al⁺+He⁺辐照和同时辐照下缺陷的原位演化。图S3显示了更详细的原位辐照结果。在单一Al⁺辐照过程中，位错环持续形核和生长，如图1(A, B)所示。当损伤达到1.2 dpa时，开始使用单一He⁺辐照。此时，前阶段形成的位错环保持不变，而出现高数量密度的“黑点”形态缺陷。

Mg–He–V耦合效应对缺陷形成和分布的影响

众所周知，含He辐照促进He–V复合物和纳米气泡的形成与演化[36]。Al合金中空位与不同溶质元素之间的结合能差异很大。由于Mg的原子半径大于Al，空位倾向于与溶质Mg形成第一近邻（1NN）或第二近邻（2NN）构型的对[22]，而非由于溶质–V的排斥相互作用。Zhang等人也提出，较大的溶质...

结论

本研究以Al–Mg合金作为固溶体合金的代表性模型体系，结合原位辐照与第一性原理计算，阐明了Mg如何重新定向He–V复合物的形成路径以及随后辐照诱导缺陷的演化。在Al–2.6Mg中，低He/dpa比率并未显著中断位错环生长，而高He/dpa比率则驱动微观结构向致密黑点团簇转变。这种行为与纯铝形成对比...

CRediT作者贡献声明

王佐江： 写作 – 初稿，调查，形式分析，概念化。朱世坤： 方法论。赵尚全： 可视化。李一鹏： 概念化。余虎成： 调查。曹子琪： 数据管理。周乃根： 调查。韩炳坤： 调查。冉广： 写作 – 审阅与编辑，监督，基金获取。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的可能影响本论文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家杰出青年科学基金（No. 12225506）、国家自然科学基金（Nos. U2341256、U24B2013和12305327）以及江西省自然科学基金（Nos. 20232BAB211028和20252BAC240693）的支持。我们感谢HZWTECH提供计算设施。

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