利用一种新的四元原子间势能，对氦在W-Ni-Fe合金中的行为进行了原子级别的研究

《Computational Materials Science》：Atomistic insights into the behaviors of helium in W-Ni-Fe alloys with a new quaternary interatomic potential

氦气泡形成机制研究及新四元势能开发

　　

Xichuan Liao|Haipan Xiang|Rongyang Qiu|Yangchun Chen|Yong Liu|Ning Gao|Fei Gao|Wangyu Hu|Huiqiu Deng

湖南大学材料科学与工程学院，中国长沙410082

摘要

氦气泡是一种关键的辐射损伤类型，会严重降低W-Ni-Fe韧性相增强钨（DPT-W）复合材料的机械性能。要理解氦引起的脆化现象，需要详细研究氦在DPT-W复合材料中的行为。合适的原子间势能的可用性将使得原子级模拟成为可能，这对于阐明气泡形成的复杂机制至关重要。在这项工作中，我们开发了一种新的W-Ni-Fe-He四元势能，该势能基于Finnis–Sinclair框架构建，用于模拟DPT-W复合材料中的氦气泡。我们证明了这种势能能够很好地再现现有密度泛函理论（DFT）关于氦行为的重要性质的结果，包括单个氦缺陷的形成和迁移能量、氦-溶质对的结合能量以及小氦缺陷团簇的性质。此外，分子动力学测试表明，这种势能能够使氦气泡从初始的随机分布的氦间隙原子中形成。我们的研究表明，氦在界面边界附近的积聚会导致错配位错的形态变化。新开发的原子间势能和模拟数据为W-Ni-Fe钨重合金中氦的行为提供了宝贵的见解。

引言

体心立方（bcc）结构的钨（W）由于其高熔点、高导热性和低溅射率，成为聚变反应堆等离子体面对组件（PFCs）的理想材料[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。然而，钨固有的低断裂韧性和高的脆性-韧性转变温度（DBTT），以及在使用过程中中子辐照的进一步恶化，严重限制了纯钨作为结构材料的应用[6]、[7]、[8]。为了解决这些问题，韧性相增强钨（DPT-W）复合材料——一类钨重合金（WHAs）——被探索为纯钨的有希望的替代品，并且越来越受到研究关注[7]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。例如，W-Ni-Fe DPT-W复合材料由主要处于脆性相的W颗粒组成，这些颗粒嵌入在少量面心立方（fcc）结构的Ni-Fe-W固溶体基体中，从而能够保持W的主要性能[7]、[14]、[15]、[16]。韧性相的Ni-Fe-W基体通过多种机制有效抑制裂纹扩展，包括微裂纹的停止、钝化和桥接，同时与脆性的W颗粒保持牢固的界面结合[13]。

用于核应用的金属合金由于中子辐照、氦离子辐照或氚衰变，其内部氦（He）含量会逐渐增加[18]、[19]。氦的存在会显著影响材料的微观结构和物理性质。由于氦原子无法与金属形成化学键，它们倾向于聚集形成氦气泡，从而导致材料显著脆化[18]、[20]。此外，研究表明，辐照后的97W-2Ni-1Fe合金基体中的高密度Ni和Fe元素充当了氦原子的有效捕获位点，从而加速了氦气泡的成核和生长[21]。此外，氦气泡在界面边界（IBs）的积聚会降低它们的凝聚力，从而促进界面裂纹的形成[20]。脆化的严重程度以及达到工程应用可接受的关键脆化阈值所需的时间，对气泡的特性（如气泡大小/空间分布和位置，例如在体相中或沿晶粒/界面边界）非常敏感[22]、[23]、[24]。然而，DPT-W复合材料中氦气泡形成的具体机制——特别是氦与不同相和缺陷的相互作用——尚未完全阐明[20]、[25]。理解钨重合金中典型的氦行为不仅是发展核能技术的迫切需求，也是由重大工程应用驱动的基本科学问题。

分子动力学（MD）模拟是研究原子尺度上氦气泡成核和生长机制的强大工具[26]、[27]、[28]。然而，为了详细进行这些过程，准确且高效的原子间势能描述至关重要。在这里，我们强调气泡成核过程是根据系统中随机分布的氦间隙原子自然预测的，而不是将氦原子插入到已存在的气泡结构中。据我们所知，文献中提出了许多过渡金属-氦势能，如W-He [29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、Ni-He [27]、[35]、[36]、[37]、[38] 和 Fe-He [27]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]，但仍然缺乏适用于W-Ni-Fe-He系统的原子间势能。在这些现有的W-He势能中，Li等人[29]、Wang等人[30]、Bonny等人[32]和Zhou等人[33]的势能要么高估了要么低估了体相W中氦原子之间的结合能量。Juslin和Wirth [31]提出的势能给出了0.21 eV的氦迁移势垒，这比DFT值（0.06 eV）高出了三倍以上。Xia等人[35]的Ni-He势能则预测了氦在八面体和四面体位置的稳定性相反，而Torres等人[36]和Zhang等人[37]的势能要么高估了要么低估了体相Ni中替代氦原子的形成能量。关于Fe-He二元系统的各种势能，可以在参考文献[45]中找到简要概述。例如，Seletskaia的势能在氦和铁之间的角度接近0或π时表现出非物理性的奇异性，这可能会导致模拟中的不稳定性。此外，Juslin [40]和Chen [41]的势能低估了小氦团簇的结合能量。机器学习（ML）势能是通过拟合从密度泛函理论（DFT）获得的一组多样化参考原子配置的总能量、力和应力的大型训练数据库来开发的[48]。这些势能可以以从头算的精度准确再现目标晶体缺陷的形成和结合能量[44]、[45]、[47]。然而，ML模型的适用范围有限[49]、[50]、[51]，在超出其验证范围的应用时可能会导致不可靠的模拟结果。尽管它们比DFT方法快得多，但ML势能仍然比经验势能慢3-4个数量级[52]。因此，迫切需要拟合一个准确的W-Ni-Fe-He四元势能，以进一步探索DPT-W复合材料中氦的演化动力学。

在这项工作中，我们为W-Ni-Fe-He四元系统开发了一种新的原子间势能，使得能够进行大规模的MD模拟，研究DPT-W复合材料中氦的扩散和气泡形成。该模型使用了我们最近开发的Finnis–Sinclair [53]型势能，该势能已证明能够准确捕捉与WHA点缺陷和机械性能相关的性质。

本文的结构如下：第2节概述了势能形式、拟合方法和计算细节。第3节使用新开发的势能评估了W-Ni-Fe-He系统的性质，并将结果与之前的DFT和经验计算进行了比较，以评估其准确性。第4节展示了使用当前势能进行的MD模拟，以探索两相复合材料中的氦行为。第5节提供了研究结果的总结。

部分摘录

势能形式

W-Ni-Fe-He系统的完整原子间势能由十个不同的参数集组成。具体来说，四个参数集描述了纯元素（W-W、Ni-Ni、Fe-Fe和He-He）之间的相互作用，而其余六个参数集描述了不同元素之间的交叉相互作用（W-Ni、W-Fe、Ni-Fe、W-He、Ni-He和Fe-He）。我们最近的研究[54]中开发的W-Ni-Fe系统的原子间势能被用来模拟W-W、Ni-Ni、Fe-Fe、W-Ni之间的相互作用，

W-Ni-Fe-He势能的拟合参数

经过拟合和优化后获得的W-Ni-Fe-He四元势能的相关参数列在表1中，势能曲线显示W/Ni/Fe与He之间的相互作用是完全排斥的，这与之前的研究[34]、[38]、[46]一致。值得注意的是，随着金属与He之间的距离增加，排斥作用会迅速减弱。

W-Ni-Fe-He势能的验证

为了获得有意义的

讨论

我们新开发的势能准确反映了W、Ni和Fe金属中低扩散能垒和强氦-氦吸引力，从而允许MD模拟直接观察到氦气泡的成核过程。在本节中，我们将展示我们的势能在模拟DPT-W复合材料中这种成核过程的能力。

模拟使用至少30.23 × 29.48 × 30.94 nm3的超胞进行，这些超胞用于含有约180万个

结论

在这项工作中，我们为W-Ni-Fe-He四元系统开发了一种Finnis–Sinclair型原子间势能，使得能够进行大规模的原子级模拟，以阐明DPT-W复合材料中氦气泡的形成机制。我们的势能很好地捕捉了与氦行为相关的性质，包括单个氦缺陷的形成和迁移能量、氦-溶质对的结合能量以及小氦缺陷团簇的性质。

CRediT作者贡献声明

Xichuan Liao：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，验证，方法论，研究，资金获取，形式分析。Haipan Xiang：验证，方法论，形式分析。Rongyang Qiu：验证，方法论，形式分析。Yangchun Chen：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论，研究，形式分析，概念化。Yong Liu：验证，方法论，形式分析。Ning Gao：方法论，形式分析，概念化。Fei Gao：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了CPSF博士后奖学金计划的财政支持，资助编号为GZC20240446。