高熵合金辐照性能的计算机模拟进展

来源期刊：材料导报2020年第17期

论文作者：徐彪 付上朝 赵仕俊 贺新福

文章页码：17031 - 17040

关键词：高熵合金;辐照模拟;分子动力学;第一性原理计算;缺陷演化;

摘    要：核电在现有能源体系中扮演着十分重要的角色,是当今世界急需的清洁能源中的重要组成部分。在核电系统中,核能结构材料是保证其可靠性和安全性最重要的因素之一。在未来的第四代裂变和聚变反应堆中,核心结构材料需处在高温、强化学腐蚀以及强中子辐照等恶劣环境中。这样极端恶劣的应用环境对新一代反应堆的结构材料提出了十分苛刻的要求。由核裂变或核聚变产生的高能中子会引起材料中显著的原子位移并产生点缺陷或缺陷团簇,从而使材料性能发生退化,因此深入研究材料在辐照条件下的损伤机制对开发新型抗辐照结构材料及先进反应堆的实施至关重要。近年来,一类新型的合金材料——高熵合金在抗辐照、耐腐蚀方面展现出一定的潜力,成为新一代反应堆结构材料的重要候选材料之一。在研究其辐照损伤机制时,由于物理实验常常受设备、成本等的限制,计算模拟成为理解其抗辐照机理的一种重要手段。当前,高熵合金的辐照性能模拟还存在诸多问题。其中,由于元素随机排布导致的无序状态是重要的限制因素之一,对计算模拟方法提出了很大的挑战。例如,由于元素的随机排列,各组成元素的化学势定义比较困难,导致高熵合金中缺陷能量的计算可能出现不同的结果。另外,由于组成元素较多,高熵合金体系的经验作用势较难获得,导致分子动力学模拟等手段难以开展;而不依赖原子间作用势的第一性原理计算模拟方法则受计算能力的限制,只能模拟较小的原子体系,对缺陷团簇性质和缺陷长时间的扩散研究基本无能为力。这些限制因素是高熵合金辐照性能模拟的难点。尽管如此,近年来,学者们在高熵合金的辐照性能模拟研究上也取得了较大的进步。例如,对化学无序状态的分析,很好地解释了高熵合金中抗辐照性能与其结构之间的关联;通过分析初始移位损伤及其移位阈能的变化,很好地揭示了其辐照条件下的缺陷产生机制;在分析缺陷的形成能和迁移能变化中,发现了缺陷的缓慢扩散特性以及缺陷的优先扩散效应;还对缺陷复合以及缺陷之间的相互作用进行了研究,展现了不同类型缺陷间的复合以及相互作用机制。本文主要综述了近几年关于高熵合金辐照性能的计算机模拟的相关研究。首先,对高熵合金的基本性质,及其辐照损伤研究和计算模拟方法进行了介绍,然后对辐照条件下高熵合金中缺陷产生的机制、缺陷能量特性、缺陷扩散现象、缺陷之间的复合以及不同缺陷之间的相互作用等五个方面进行了讨论。最后,对当前面临的挑战和未来可能的发展方向提出了一些看法。