日期：
2023-03-08 13:22:58
来源：研之成理收集 编辑：APM
文章题目： Multiscale modelling of irradiation damage behavior in high entropy alloys高熵合金的出现为成分设计提供了新的策略，特别在核领域的应用前景引起了广泛的关注。该文章综述了先进多尺度建模方法在探索高熵合金抗辐照性能方面的应用，总结了辐照诱导的合金微结构和性能变化，阐明了多级抗辐照损伤机制。 核反应堆愈发严苛的服役环境以及现役材料存在难以克服的缺陷，促使新型抗辐照合金的开发迫在眉睫。最近十年来，高熵合金作为一种新型的成分设计策略产物，由于其在核领域的应用前景而受到广泛关注。基于多尺度建模研究了高熵合金的辐照性能，揭示了辐照损伤机制，加速了先进的抗辐照高熵合金的开发。本综述介绍了高熵合金辐照性能多尺度建模研究的最新进展，总结了代表性的辐照诱导的微结构和性能变化，分析了多级辐照损伤机制，有望实现高抗辐照高熵合金的高效设计。 能源发展促进了人类文明的进步，核电已经成为目前以及可预见未来人类社会能源的重要组成部分。然而，核反应堆现役材料（如锆基合金、钨基合金和ODS钢等）存在的一些致命缺陷降低了核电站的安全性和服役寿命，限制了核电的推广应用。尽管大量研究投入到提高现役合金的抗辐照性能，但其发展速度远未满足核能发展的需求。因此，全新的合金体系亟待开发。近十年来，高熵合金的出现为合金成分设计提供了全新的策略，其有别于由单一主元构成的传统合金，通过混合多个主元构成新的合金体系。大量研究表明，高熵合金具有优异的力学、物理和化学性质。其具有优异的高温强度和稳定性、抗辐照特性和耐腐蚀性能等核反应堆结构材料所必需的性能，展现出了在核领域应用的极大潜力。目前，高熵合金辐照性能的研究仍处于起步阶段，但部分高熵合金已经展现出了卓越的抗辐照性能。高熵合金广阔的成分和结构设计空间，为发展优异综合性能的提供了潜在的可能性。 高熵合金的辐照响应是一个复杂的时空多尺度问题，涉及到从量子尺度电子结构、纳观尺度晶格特征、以及微介观尺度的复杂结构和缺陷。多尺度建模为深入挖掘高熵合金成分、结构和抗辐照性能的多级关系提供了行之有效的方法。通过联合量子尺度的第一性原理、纳观尺度的分子动力学、微介观尺度的离散位错动力学和晶体塑性有限元以及跨时空多尺度的集成计算方法和人工智能算法，能够解析高熵合金多级辐照响应和内在机制，为开发先进抗辐照高熵合金提供理论基础。本工作首先介绍了应用于高熵合金辐照性能研究的多尺度建模方法，然后总结了高熵合金辐照损伤机制以及辐照诱导的微结构和性能演变，最后给出了未来的研究方向。 （1）梳理了多尺度建模方法在高熵合金抗辐照性能研究中的应用原理，分析了各个方法的优势和局限性，提出了未来的发展方向。 （2）阐明了高熵合金优异抗辐照性能的起源，构建了高熵合金多级辐照损伤机制图谱。 （3）总结了高熵合金中辐照诱导的典型微结构和性能演变，分析了底层的物理机制，提出了亟待解决的问题和思路。 计算机科学的进步推动了计算材料科学的发展，多尺度计算方法被成功应用于研究高熵合金多尺度辐照响应上，包括量子尺度的第一性原理计算研究电子结构和缺陷本征属性等，纳米尺度的分子动力学模拟研究级联损伤和微结构交互机制等，微介观尺度的离散位错动力学研究辐照硬化和脆化特征，宏介观尺度的晶体塑性有限元方法探索辐照肿胀和硬化等宏观响应。 辐照损伤是控制合金辐照响应的底层原因。辐照诱导合金出现高密度的空位和间隙原子，并进一步发展成为典型的辐照缺陷，如位错环、层错四面体和空洞。高熵合金的高抗辐照能力来源于多级抗辐照损伤机制，通过量子尺度的高频电子交互运动和晶格畸变，降低微纳米尺度的热导，形成高密度本征空位，加强间隙原子三维空间运动，从而提高了辐照点缺陷的复合率。由于辐照点缺陷较少，使得辐照诱导偏聚、析出和晶界运动等现象难以激活，最终获得低的辐照肿胀、硬化和脆化。 辐照导致高熵合金出现典型的微结构演变，包括位错网形成、晶界运动、偏聚和析出。这些微观现象依赖于合金成分、辐照剂量和温度特征。由于高熵合金较高的辐照点缺陷复合率，因此高熵合金辐照后的微结构稳定性强；同时，高熵合金复杂的成分又使得其辐照后出现有别于传统合金的特殊微结构。在辐照性能方面，辐照肿胀、硬化和脆化是最重要的三个宏观现象。目前，部分高熵合金表现出较低的辐照肿胀、硬化和脆化性能，并将其与微结构稳定性建立了简单关联。但高熵合金的严重晶格畸变、迟滞扩散等高熵结构效应与辐照诱导的微结构和性能之间的关系仍需要进一步探索。 多尺度建模方法成功应用于探究高熵合金辐照响应和损伤机制，揭示了从量子尺度到宏观尺度的多级辐照响应和物理机制，构建了成分、微结构和抗辐照性能之间的关联，为开发先进抗辐照高熵合金提供了理论基础。目前，大量研究工作集中于高熵合金材料特征（成分和微结构）和辐照条件（剂量和温度）对辐照响应的影响规律上，需要进一步探索高熵合金特征结构效应（如晶格畸变、浓度波、迟滞扩散等）对多级辐照响应的影响规律和机制。为了解决这个问题，需加强先进的多尺度建模的运用，结合高通量方法和机器学习技术，能够加速抗辐照高熵合金的探索和开发。特别关注以下几个研究方向： （1）发展核反应堆真实服役环境的多尺度模拟，考虑高温和高压耦合作用、不同的辐射源、跨时间尺度关联行为等。需要探索加速动力学、晶格畸变依赖的离散位错动力学和分层跨尺度晶体塑性有限元模拟等先进模拟方法的应用。 （2）开发物理起源依赖的理论模型，同时考虑辐照损伤机制、变形机制和高熵合金本征结构效应（包括晶格畸变和成分异质性等）。 （3）搭建协同优化抗辐照高熵合金成分和微结构的多尺度设计框架，充分结合物理起源依赖的理论模型和机器学习技术。其中，机器学习需覆盖高熵合金的本征结构效应以及关键的辐照参数和指标，理论模型则用于预筛选原始数据、扩展数据集和约束预测结果，从而提高机器学习的效率和精度。 谭福盛，湖南大学博士研究生在读。目前致力于高熵合金变形和辐照行为研究，采用原子模拟、热力学理论和位错理论等方法探索合金中晶界主导的变形、扩散和辐照损伤行为，成果以第一作者身份发表于Scripta Materialia, Journal of Materials Science, Acta Mechanica等国际SCI期刊。 李甲，湖南大学教授、博导、岳麓学者、湖南省青年科技人才、湖南省优青。面向航空航天、核电等国防领域重大需求，开展了高温/高熵合金的强韧化设计与服役性能研究，在2项国家自然基金面上项目与联合基金重点项目支持下，近5年以第一及通讯作者在Proceedings of the National Academy of Sciences、Journal of the Mechanics and Physics of Solids、International Journal of Plasticity、Materials Horizons、Acta Materialia、Nano Letters、Journal of Materials Science & Technology等力学和材料科学顶级期刊发表发表学术论文70余篇。 Fusheng Tan, Li Li, Jia Li, Bin Liu, Peter K. Liaw, Qihong Fang, Multiscale modelling of irradiation damage behavior in high entropy alloys, Adv. Powder. Mater. 2023, 2, 100114. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2023.100114 https://wwul.lanzoue.com/irGPI0nporni