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高熵合金（HEAs）因其卓越的机械性能、热稳定性和抗辐射性而受到广泛关注，使其成为先进结构材料和核应用领域的理想候选材料。然而，理解这些复杂合金中缺陷迁移的基本机制仍然是一个关键挑战。本课题组探究了局部化学序（LCO）——即某些原子种类优先聚集或分离的结构现象——对等原子比CoNiCrFe高熵合金中空位扩散的影响。研究论文以Effect of local chemical order on monovacancy diffusion in CoNiCrFe high-entropy alloy为题发表于《Journal of Nuclear Materials》期刊，Shehu Adam Ibrahim博士为文章第一作者。

通过结合分子动力学（MD）模拟与混合蒙特卡罗-MD（MC-MD）方法，本研究系统探究了空位扩散在一系列退火温度下的行为。结果表明，扩散系数与局部化学序（LCO）呈非单调依赖关系：随着LCO程度的增加，扩散速率降低，但在中间退火温度（700 K）达到最小值；低于该温度时，扩散速率再次升高（图1）。这一现象挑战了传统假设——更强的化学有序性必然导致更低扩散率，表明低能扩散通道的空间连通性是影响这一趋势的关键因素。

图1. (a)示踪扩散系数和(b)缺陷扩散系数随退火温度的非单调变化，突出显示在700 K时扩散系数达到最小值。

本研究的另一重要发现是空位迁移势垒在不同LCO区域呈现不对称分布。空位优先在富Fe和富Co区域内迁移，这些区域较低的形成能与迁移能增强了空位的稳定性和迁移能力。相比之下，富Cr区域表现出更高的迁移势垒，从而限制了空位扩散（图2）。这种非对称的迁移能分布特征形成了热力学驱动力，促使空位从富Cr区域向富Fe和富Co区域迁移。

图2. 在(a)500 K和(b)700 K退火的LCO结构中，不同局部化学序区域间空位迁移的平均迁移势垒。

通过识别局部化学序（LCO）形成的独特扩散路径，本研究进一步揭示了渗流效应在扩散行为中的关键作用。在较低退火温度（T < 700 K）处理的结构中，富Fe和Co团簇通过空间互连形成连续的低能通道（图3），促进空位长程扩散；而当退火温度升高时，这些区域逐渐孤立化，增加了捕获空位和抑制扩散的可能性。这种行为突出了渗流效应在扩散动力学中的作用，展示了 LCO 如何在合金组成保持不变的情况下局部调制扩散网络。

图3. 不同CoNiCrFe结构中空位优先扩散路径的快照图示。各结构中所显示的原子代表在空位周围1NN 的球形截止范围内，钴和铁总组成介于0.69至0.53之间的富铁、钴区域。

除了为高熵合金中的缺陷传输机制提供新的见解外，该研究还强调了通过调控LCO来控制扩散行为的潜力。这些发现对材料设计具有广泛意义，特别是在辐射诱导缺陷和扩散驱动降解是关键问题的环境中。

本研究为深入理解局部原子排列如何影响高熵合金（HEAs）中的缺陷行为提供了重要贡献，为其在下一代能源、航空航天及核应用中的性能优化奠定了基础。

文章详情请参考：

Shehu Adam Ibrahim, Tan Shi, Yundi Zhou, Jing Li, Chen Zhang, Ping Zhang, Zhengxiong Su, Rui Gao, Chenyang Lu*. Effect of local chemical order on monovacancy diffusion in CoNiCrFe high-entropy alloy. Journal of Nuclear Materials. 2024, 155335.

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2024.155335