核电被誉为是人类的“未来能源”，近年来全球对于核电的研究一直没有停下，但随着核电核心“反应堆”的研究逐渐深入，也同时对在先进核能系统中的材料提出了新的要求。核电材料长期暴露于高温、高辐照和高氦环境，很容易出现严重的微观结构退化，包括氦泡膨胀、位错环增殖以及微裂纹产生等，这些辐照诱导的缺陷会严重削弱材料的力学性能与结构稳定性。高熵合金（HEAs）因其显著的晶格畸变、化学复杂性和扩散迟滞效应，被认为是极具潜力的候选材料之一。然而，在合金材料体系中，多相结构几乎不可避免，不同相之间由于晶体结构、界面特征和元素组成差异，往往呈现出完全不同的缺陷演化规律。因此弄清同一材料内部“不同相为何表现出不同辐照响应”，是理解高熵合金辐照耐受机制的关键。

近日，西安交通大学研究团队选择了同时含有富Cr BCC析出相与共格纳米结构L1₂的Al_0.5Cr_0.9FeNi_2.5V_0.2高熵合金作为研究对象，该材料具备典型的异质微结构，其不同相界面类型（半共格与共格）恰好为研究辐照缺陷在不同区域的演化差异提供了理想平台。通过多尺度显微表征，揭示了这两类结构在辐照下的截然不同机制，为未来高熵合金的辐照设计提供了重要理论依据，该研究成果以题为“Origin of radiation damage variability in different phases of Al-Cr-Fe-Ni-V high-entropy alloy with heterogeneous microstructures”发表于国际期刊《Materials Research Letters》上，通讯作者为西安交通大学卢晨阳教授。

文章链接：

https://doi.org/10.1080/21663831.2025.2586636

【核心内容】

该研究重点关注富Cr BCC析出相与L1₂相共格纳米结构在辐照过程中的差异化行为，从晶体结构、界面能、化学复杂性与元素扩散等方面系统解析这些差异的微观成因。研究发现富Cr BCC析出相因其较低的混合熵以及更高的空位迁移率，使其成为氦泡快速聚集与生长的区域。同时，BCC与基体之间的半共格界面具有较高的界面能与应力场，从而进一步促进氦和缺陷的捕获与富集。相较之下，基体内部的L1₂共格纳米结构由于晶格匹配良好、界面应力低、化学复杂性高，以及具备可逆的有序–无序转变机制，表现出对辐照缺陷极为优异的抑制能力。

【研究方法】

研究团队首先采用电弧熔炼制备Al_0.5Cr_0.9FeNi_2.5V_0.2合金，并通过1150℃固溶处理与700°C 时效来构建稳定的BCC析出相和L1₂共格纳米结构。在样品制备完成后，研究者利用1 MeV氦离子在750℃条件下进行辐照，使样品达到1×10¹⁷ ions/cm²的高辐照剂量，以模拟核反应堆工况中材料所经历的强辐照环境。研究采用TEM、STEM-HAADF、STEM-EDS、GPA等先进显微技术，从晶粒尺度到原子尺度全面表征辐照后缺陷的产生、形貌以及空间分布。此外，研究还结合SRIM模拟，准确预测了辐照造成的位移损伤及氦浓度分布，为缺陷发育区域的识别提供了可靠依据。

【研究成果】

① 异质多相结构构成材料辐照响应差异物理基础

团队观察到FCC基体中形成了大量自发旋节分解产生的L1₂共格纳米结构，同时还包含尺寸不均、形貌多样的富Cr BCC析出相。基体晶粒呈现明显的双峰分布，而BCC析出相呈条带状或块状分布，并在空间上高度不均匀.此外，原子分辨图像揭示了L1₂纳米结构在基体中高度共格、无明显晶格失配。

Al_0.5Cr_0.9FeNi_2.5V_0.2高熵合金的异质微观结构与力学性能

② BCC析出相与基体在辐照后表现

在辐照损伤峰值区域，研究发现不同相内部的缺陷分布呈现明显的对比，在靠近BCC析出相位置，位错环与氦泡密度显著增加，而在L1₂与基体区域，则几乎不存在同等密度的缺陷富集现象，最大损伤深度约2 DPA，这是因为L1₂与基体之间不存在显著的界面组分突变，两者晶格参数非常接近，使界面应力与自由体积极小，导致这些区域很难成为氦聚集的偏好位置。

辐照后Al_0.5Cr_0.9FeNi_2.5V_0.2高熵合金的缺陷分布与类型

③ 氦泡在BCC析出相与L1₂/基体区域生长行为

富Cr BCC析出相中形成的氦泡尺寸明显大于基体区域，在BCC区域内氦泡平均尺寸约为5.5nm，形貌多趋向矩形，而在L1₂/基体区域则通常小于3.2nm，并保持圆形且分布均匀。这一差异源自多重微观机制的共同作用：

• BCC相混合熵较低且空位迁移率高，为氦泡快速聚集提供了通道；

• BCC与基体之间的半共格界面具有较高界面能和应力场，可捕获大量辐照缺陷并促成氦泡长大。

相比之下，L1₂结构具有低界面能和高化学复杂性，能有效抑制缺陷迁移和聚集，并且L1₂结构在辐照后保持稳定，不产生明显的无序化或界面破坏，进一步增强了其辐照耐受性。

氦泡在BCC析出相和基体中的分布及其原子尺度界面分析

④ 不同区域位错环形成与稳定机制

BCC析出相虽然能够暂时阻挡位错环的运动，但由于其尺寸和空间受限，位错环往往在界面附近被迅速吸收或湮灭，难以形成稳定结构，而L1₂结构能够作为可切割的共格强化相，对位错环产生强钉扎效应，从而阻止位错环扩展与转变，因此基体区域尤其是含有L1₂纳米结构的区域中，大量位错环在辐照后保持稳定存在。

位错环的分布及其原子尺度界面分析

【总结与展望】

该文章系统揭示了Al-Cr-Fe-Ni-V多相高熵合金中不同相在辐照过程中差异化响应的微观机制，同时该研究成果也证实了未来有望通过构建分级异质结构，实现共格纳米结构与半共格强化相之间的最优协同，从而在保持高强度的同时最大化材料在核环境中的耐受能力。