编辑推荐：
辐照耐受FeCrV多组元合金制备及性能研究：通过机械合金化与Spark等离子烧结（SPS）制备FeCrV纳米晶合金，系统分析SPS温度（950-1150°C）对相组成、位错密度及力学性能的影响，确定1050°C为最佳烧结温度，形成均匀BCC固溶体（屈服强度~1.43GPa，塑性~35%）。对比CLF-1钢辐照实验表明，FeCrV合金在Fe+He离子辐照（450°C）下肿胀率降低约7倍，揭示化学无序与晶格畸变对肿胀抑制的贡献高于位错与晶界作用，并建立位错环尺寸与密度模型验证辐照硬化趋势。
Z.H. 徐 | Y.H. 陈 | F.Q. 赵 | Y.Q. 吴 | H.T. 孙 | S. 徐 | Y.K. 刘 | P. 陈 | X.B. 余 | F.R. 万 | Q. 战
北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083，中国
摘要
开发具有优异抗辐照性能的结构材料对于核能系统的进步至关重要。本研究对通过机械合金化和火花等离子烧结（SPS）制备的纳米晶FeCrV多组分合金（MCA）进行了全面研究，并将其抗辐照性能与传统的低活化铁素体/马氏体（RAFM）钢进行了对比。系统地阐明了SPS温度（950°C - 1150°C）对FeCrV MCA的相组成、位错密度和机械性能的关键影响。确定了最佳烧结温度为1050°C，该温度下获得了具有优异强度-塑性协同性的均匀体心立方（BCC）固溶体（屈服强度：约1.43 GPa，塑性：约35%）。在450°C下同时进行Fe+He离子辐照时，优化后的FeCrV MCA表现出比中国低活化铁素体（CLF-1）钢更强的抗辐照膨胀性能，其膨胀率大约降低了7倍。这种性能的提升表明，MCA中的高化学无序性和严重的晶格畸变对膨胀抵抗力的贡献大于与位错和丰富的晶界相关的因素。此外，FeCrV MCA的位错环平均尺寸较大，但数量密度较小。FeCrV MCA与CLF-1钢辐照后的微观结构演变存在明显差异，这源于它们固有的结构特性。基于位错环的大小和密度以及经典DBH和FKH模型，计算了两种材料的辐照硬化程度，结果与纳米压痕实验结果一致。本工作强调了基于FeCrV的合金在先进核材料领域的潜在优势。
引言
近年来，由于下一代核反应堆面临的高温（高达约1000℃ [1]）和强中子辐照（高达150-200次原子位移/dpa [2]）等苛刻运行环境，对先进结构材料的追求日益加剧。虽然像SS316这样的传统钢材以及中国低活化铁素体/马氏体（RAFM）钢（如CLF-1）已被广泛研究，但它们在极端条件下的性能仍受到辐照脆化和膨胀 [3, 4] 的限制。在这种情况下，多组分合金（MCAs），特别是具有体心立方（BCC）结构的合金，由于其出色的机械性能、热稳定性和潜在的抗辐照能力 [5, 6]，已成为有前景的候选材料。
在BCC MCA中，基于FeCrV的系统因其良好的塑性 [7, 8]、耐腐蚀性 [9, 10] 和高温强度 [11, 12] 而受到广泛关注。最近的研究 [7, 13, 14] 表明，通过微观结构工程（如晶粒细化和沉淀强化）可以显著提高FeCrV基MCAs的强度-塑性协同性。然而，合成路线对最终微观结构和性能的确定起着关键作用。机械合金化（MA）结合火花等离子烧结（SPS）已被证明能有效制备出具有均匀微观结构和增强机械性能的纳米晶MCAs [7, 14]。我们之前的工作通过理论计算优化了球磨参数 [7]，但关于烧结温度对FeCrV基MCAs微观结构和机械性能影响的系统研究仍然较少。在1050°C下烧结的FeCrV基MCAs表现出良好的机械性能 [7, 14]，然而控制温度依赖性微观结构演变的内在机制仍需进一步阐明。尽管FeCrV基MCAs的抗辐照性能已得到初步验证 [14, 15, 16, 17]，但尚未与BCC结构的候选核材料（如CLF-1钢）进行直接比较。这一差距使得难以评估FeCrV基MCAs在核应用中的实际优势和可行性，尤其是在引起膨胀和硬化的辐照条件下。
在本研究中，我们系统地研究了SPS烧结温度对FeCrV MCA微观结构演变和机械性能的影响。此外，我们使用450℃下的Fe+He同时辐照，评估了最佳烧结FeCrV MCA与CLF-1钢的辐照响应，重点关注缺陷演变、膨胀和硬化现象。辐照温度（450℃）是核反应堆结构材料的运行温度。使用Fe+He离子同时辐照有效模拟了（n, α）转变反应产生的位移损伤和He的产生。本研究不仅阐明了烧结温度在调控FeCrV MCA微观结构中的作用，还首次将其辐照性能与基准RAFM钢进行了对比分析，为设计耐辐射的MCAs提供了新的见解。
材料与方法
材料与方法
等原子比的FeCrV MCA是通过机械合金化（MA）结合火花等离子烧结（SPS）合成的。MA + SPS的工艺流程如图1a所示。高纯度的Cr、Fe和V元素粉末（纯度>99.9%，粒径≤50 μm）作为主要原料。这些粉末使用装有316不锈钢瓶和研磨球的行星球磨机（FOCUCY F-P400）按原子比例进行机械研磨。球径比为5 mm:10 mm，重量比为3:5。
SPS温度对微观结构和机械性能的影响
图3a展示了在不同温度下烧结的等原子比FeCrV MCAs的XRD图谱。微观结构主要由BCC基体和钒氧化物（VxOy）组成，后者是由于V的高氧亲和性和PCA中的氧存在的结果。值得注意的是，在950°C下烧结的样品中观察到了FeV金属间化合物 [11]。
图3b显示了BCC峰的位置变化：在1050°C时峰向较低角度移动，然后在更高温度下又恢复到较高角度。
结论
总之，本研究系统地探讨了FeCrV MCA的加工、微观结构、机械性能和辐照性能，提供了与传统CLF-1钢的直接且有利的比较。主要发现如下：
- 1)
SPS温度对FeCrV MCA的微观结构具有关键影响。最佳温度1050°C使得脆性的FeV金属间相溶解，形成均匀的BCC固溶体。
作者贡献声明
F.R. 万：验证、监督、资源提供。
战倩：撰写 – 审稿与编辑、方法论、资金获取、概念构思。
X.B. 余：可视化、数据分析。
F.Q. 赵：软件开发、数据分析。
Y.Q. 吴：验证、数据分析。
Z.H. 徐：撰写 – 原初草稿、方法论、研究、概念构思。
Y.H. 陈：软件开发、数据分析。
Y.K. 刘：可视化、数据分析。
P. 陈：软件开发、数据分析。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：战倩报告称获得了科技部的财政支持。战倩报告称设备、药品或耗材由北京大学核物理与技术国家重点实验室提供。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或可能影响研究的个人关系。
致谢
本研究得到了国家MCF能源研发计划（项目编号2022YFE03110000）、国家自然科学基金（项目编号51971030和11775018）以及北京大学核物理与技术国家重点实验室（项目编号NPT2021KFJ24）的支持。我们衷心感谢西南物理研究所的杨教授和廖教授提供了本研究中使用的CLF-1钢样品。同时，我们也非常感谢武汉大学的郭丽萍教授。
