我的新闻

L1₂调幅分解纳米结构设计提升高熵合金抗辐照性能的机制研究

西安交通大学核科学与技术学院卢晨阳团队在核材料权威期刊《Journal of Nuclear Materials》发表最新研究：Mechanistic insights into spinodal L1₂ nanostructures in mitigating radiation defect growth in Al_0.5Cr_0.9FeNi_2.5V_0.2 high-entropy alloys，https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2025.155703，论文第一作者为苏钲雄助理教授，通讯作者为卢晨阳教授，本论文揭示了高熵合金中L1₂调幅分解纳米结构抑制辐照缺陷的微观机制，为设计高性能核材料提供了新方向。

研究背景

高熵合金（HEAs）因其多主元特性展现出高强韧性和潜在抗辐照能力。然而，单相高熵合金的强度难以满足核反应堆的严苛要求。近年来，通过引入高体积调幅分解的L1₂纳米析出相可同时提升合金强度与抗辐照性，但其抑制缺陷的机制尚不明确，尤其是调幅分解形成的网络状L1₂结构如何降低辐照缺陷的动态演化亟待探索。

核心发现

研究团队以Co-free型高熵合金Al_0.5Cr_0.9FeNi_2.5V_0.2为模型，通过调控热处理工艺（固溶+时效），制备了含不同面积分数L1₂纳米结构（面积占比1100A：19%，650A：29%）的合金。随后通过高温He离子辐照实验，结合透射电子显微镜和纳米压痕分析了缺陷演化规律。结果表明具有调幅分解的有序-无序特征的L1₂网络结构能有效抑制辐照缺陷，表现为高L1₂体积分数的合金中位错环尺寸减小、He泡肿胀降低以及辐照硬化减弱。这主要得益于L1₂结构与基体间的低错配共格界面，这使得它可以通过可逆的有序-无序转变减少了早期辐照点缺陷浓度，并抑制了缺陷形核与长大。此外，调幅分布的L1₂纳米结构通过形成反相界面也会阻碍缺陷团簇迁移，从而延缓缺陷及He泡的生长。该研究为通过L1₂结构的自修复特性与空间分布的结构复杂性去提高材料的辐照耐受性提供了设计思路。

1. L1₂结构的可逆有序-无序转变降低缺陷浓度

L1₂结构与基体间的低错配共格界面（晶格失配仅0.05%）（图1）使得其在辐照中可以经历动态的有序-无序转变。辐照诱发无序化后，溶质原子可以快速重组重新形成L1₂相，并在这个过程中促进点缺陷的局部湮灭（图2）。

图1. L1₂析出相的微观结构和元素分布以及原子尺度信息

通过透射电镜的暗场像，可以发现高面积分数L1₂网络（650A）在0.25 DPA辐照后L1₂面积分数仅下降3%，显著优于低面积分数合金（1100A下降20%），表明当体积分数其具备高效的自修复能力（图2）。

图2. L1₂析出相在不同剂量下的尺寸和面积占比演化

2. 网络结构阻碍缺陷迁移

辐照产生的位错环在L1₂析出相边界处被钉扎，迁移路径受阻（图3）。

图3. L1₂析出相和位错环的相互作用

L1₂结构形成反相畴界（APBs），其三维网络作为“弹性屏障”延缓氦泡和位错环长大，氦泡肿胀率从0.23%（1100A）降至0.14%（650A）（图4），位错环则从40nm降至27nm（图5）。

图4. 1100A和650A中He泡的尺寸和密度

图5. 1100A和650A中位错环的尺寸和密度

3. 辐照硬化显著抑制

L1₂网络结构通过减少残余缺陷浓度与尺寸，使650A合金的辐照硬化率仅为13%，显著低于L1₂体积分数较低的1100A合金的34%。（图6）。

图6. 1100A和650A中的纳米压痕和辐照硬化率

方法与创新点

研究结合氦离子辐照实验、原子分辨率透射电镜（STEM/EDS）与纳米压痕技术，创新性体现在：

自修复机制：通过暗场成像，揭示了L1₂随着剂量变化的动态有序化过程，阐明了L1₂结构中有序度与辐照剂量之间的关联。

原子尺度缺陷表征：结合原子尺度的位错环表征及IFFT分析，揭示L1₂结构对位错环迁移的阻碍效应。

实际意义

该研究提出“高体积分数的调幅分解L1₂网络+动态自修复”的协同设计策略，不仅推动高熵合金在核反应堆包壳材料、聚变堆等领域的应用，也为多相材料抗辐照设计提供了理论支撑。未来可通过优化调幅分解的波长与元素配比，进一步提升材料在极端环境下的长期稳定性。