下一代快谱核反应堆，包括钠冷快堆（Sodium-cooled Fast Reactors, SFRs）和铅冷快堆（Lead-cooled Fast Reactors, LFRs），对燃料包壳材料提出了极端要求，这些材料需要具备优异的高温抗性、高 neutron 剂量抗性和化学腐蚀抗性。传统的奥氏体不锈钢在这些条件下容易出现空洞膨胀、辐照引起的硬化以及与燃料的化学反应。因此，人们正在寻找具有更高辐照耐受性、高温机械稳定性和耐腐蚀性的先进合金。
高熵合金（High-Entropy Alloys, HEAs）由多种主要元素以近乎等原子比组成，已成为极端核环境中的有希望的候选材料。大量研究表明，这种多元素设计理念可以赋予材料卓越的耐腐蚀性 [1], [2]。这种性能通常归因于多种钝化元素（如Cr、Ni和Mo）的协同作用，它们促进了密集且化学性质复杂的钝化膜的形成，从而提高了材料的稳定性和自修复能力。高熵合金在摩擦学应用中也表现出巨大潜力，其高硬度、应变硬化能力和微观结构稳定性使其具有优异的耐磨性 [3]。多元素基体的严重晶格畸变和缓慢的扩散特性有助于在滑动、磨损和侵蚀条件下提高表面的机械完整性。高熵合金的力学行为可能是这些材料研究最广泛的方面之一。许多高熵合金系统的显著特点是它们能够实现强度与延展性的良好平衡，克服了大多数传统金属合金所面临的经典权衡 [4]。这种平衡源于多种机制的结合，包括由于严重晶格畸变引起的固溶强化、变形孪晶形成以及转变诱导的塑性，这些机制共同作用使得合金能够在较大塑性应变下保持较高的应变硬化率。此外，高熵合金中的多种变形机制（包括位错滑移、孪晶形成和相变）可以通过成分设计和热机械加工进行调整，以适应特定的载荷条件 [5], [6]。
早期研究表明，单相高熵合金（如NiCrFeMn和NiCrFeCo）在中等剂量（10–53 dpa）和高温（400–700°C）下，与传统合金相比，表现出显著降低的空洞膨胀和辐射诱导的偏析 [7], [8], [9]。然而，这些相对简单的单相微观结构在先进反应堆概念中预期的极高剂量（>50 dpa）下无法保持结构完整性 [10], [11], [12], [13]。
为了解决这一限制，最近的研究重点在于设计具有复杂微观结构的高熵合金，这些结构中的高密度界面可以作为辐射诱导点缺陷的捕获位。在面心立方（FCC）基体中故意引入富铜、富铝或富钛的纳米沉淀物，已被证明可以通过提供丰富的缺陷吸收位点来显著提高辐照抗性，同时通过沉淀硬化增强机械强度 [14], [15]。通过将这些沉淀物保持在纳米尺度，最大化界面面积密度对于优化缺陷捕获效率和韧性至关重要。
在这方面，NiCoFeCrCu?.??高熵合金——一种含有铜的NiCoCrFe合金衍生物——表现出了非凡的前景。Kombaiah等人 [10] 报告称，这种合金（23.3Ni-24.7Fe-24Cr-25.3Co-2.7Cu wt.%）在500°C下热处理100小时后，在FCC基体中形成了高密度的富铜纳米沉淀物（2–3体积%），在475°C下受到500 dpa的Au离子辐照后，其空洞膨胀率仅为<0.01%。这一性能超过了单相高熵合金和传统奥氏体不锈钢，接近于氧化物弥散强化（ODS）钢的辐照耐受性，而后者制造难度大且成本高昂。优异的辐照抗性归因于基体-沉淀物界面的高密度，这些界面有效地捕获了空位和间隙原子，抑制了缺陷聚集和空洞的形成。
然而，铜与铁（Fe）、铬（Cr）和钴（Co）混合时的正焓值引入了一个关键挑战：在传统的凝固过程中，这种热力学倾向会导致明显的化学偏析，从而在Fe-Ni-Cr-Co富集的基体中形成粗大的富铜区域 [16]。虽然不受控制的偏析会导致热短缩并限制材料的可成形性，但可控地形成细分散的纳米级富铜沉淀物为沉淀强化和增强缺陷捕获密度提供了有力机会。因此，理解和控制这些沉淀物在不同加工和热处理条件下的成核、生长和空间分布对于优化这种合金在核包壳应用中的性能至关重要。
要充分发挥Cu-HEA在薄壁管状包壳材料中的潜力，必须克服重大的制造挑战。传统的铸造方法产生的微观结构粒度较粗（数百微米），化学成分不均匀，不适合精密包壳制造，也无法实现所需的细小、均匀的沉淀物分布，从而无法达到最佳的辐照抗性。这就需要探索先进的固态加工技术，这些技术能够同时实现接近净形的制造和所需的微观结构控制。
本研究重点关注两种基于严重塑性变形（Severe Plastic Deformation, SPD）的制造方法：剪切辅助加工和挤压（Shape Processing, SHAPE）[17], [18], [19]，这是一种高应变固态挤压工艺，可以直接从块状原料生产出具有精细晶粒结构和化学均匀性的薄壁管状产品；以及摩擦搅拌层沉积（Friction Stir Layer Deposition, FSLD）[20]，这是一种通过强烈的热机械加工逐层构建组件的固态增材制造技术，能够形成超细晶粒、动态再结晶的微观结构。这两种工艺都避免了熔化相关的缺陷，如气孔、凝固裂纹和粗大的枝晶偏析，同时引入了高密度的晶体缺陷（位错和晶界），从而显著改变了后续的沉淀行为。尽管SHAPE和FSLD都是利用摩擦加热和极端剪切来细化微观结构的基于摩擦的SPD技术，但它们对材料施加的变形历史截然不同。在SHAPE工艺中，原料在受限的挤压通道内受到高应变率的严重剪切变形，产生的应变路径主要是简单剪切，应变梯度从与旋转模具接触的边缘向中心逐渐减小。这种单次连续挤压的几何形状为加工材料施加了相对明确且单向的热机械历史。
相比之下，FSLD涉及复杂的多轴变形，包括剪切、压缩和围绕旋转工具的挤压。材料的应变分布具有空间上的差异——从工具正下方的搅拌区到边缘的热机械影响区——以及时间上的差异，因为连续的层沉积使先前沉积的材料经历重复的热机械循环。这种循环加热和再变形使得FSLD与SHAPE的单次通过特性有所不同，并增加了微观结构演变的复杂性。
本研究的核心假设是，SPD处理引入的缺陷结构——特别是密集的位错网络和高角度晶界——可以被有目的地利用，以工程化控制富铜沉淀物的分布，使其具有比传统处理材料更高的缺陷捕获密度 [21]。作为异质成核位点和高扩散路径，这些缺陷有望显著加速沉淀动力学，细化沉淀物的尺寸和间距，从而在后续的热处理过程中精确调整微观结构，以实现机械强度和辐照耐受性的优化。
基于此背景，本研究系统地探讨了这种策略如何影响NiCoFeCrCu?.?? HEA（24.32Ni-24.44Fe-24.12Cr-24.2Co-2.9Cu wt.%）中的富铜沉淀物形成。通过比较在相同热处理条件（500°C和800°C下处理100小时）下三种初始状态下的沉淀物演变：（i）铸态+溶液处理，（ii）溶液处理+SHAPE处理，以及（iii）溶液处理+FSLD处理，研究了这种策略的影响。通过将缺陷结构与沉淀物特性和机械性能相关联，本研究建立了加工-微观结构-性能之间的关系，证明了通过缺陷调控沉淀过程是一种可扩展的方法，可以优化极端核环境中的缺陷捕获密度，从而提高材料的辐照耐受性和机械强度。
