近日，我课题组在材料领域期刊Acta Materialia发表题为“Atomic size mismatch effects on irradiation-induced defect evolution in Nb-Zr-Ti-V multi-principal element alloys”的研究论文。该工作以Nb-Zr-Ti-V难熔多主元合金为模型体系，系统研究了原子尺寸失配对He离子辐照条件下点缺陷形成、元素偏聚、相稳定性及氦泡演化行为的影响，并建立了原子尺寸失配、辐照诱导偏聚和结构失稳之间的联系。

多主元合金由于具有复杂的局域化学环境和显著的晶格畸变，被认为具有良好的抗辐照潜力。然而，不同BCC多主元合金中的氦泡演化行为表现出明显差异，传统基于“化学复杂性促进缺陷复合、降低缺陷迁移能力”的认识难以解释部分难熔多主元合金中出现的大尺寸氦泡及辐照诱导相变现象。针对这一问题，本研究通过系统调控Nb和V含量，构建具有不同小/大尺寸原子比例的Nb-Zr-Ti-V合金体系，并结合He离子辐照实验、透射电子显微表征及第一性原理计算，对其辐照缺陷演化机制进行了系统研究。

研究发现，随着Nb和V含量增加，氦泡在较浅辐照区域更早出现，同时高Nb/V含量合金中形成了尺寸更大、数量密度更低的氦泡。第一性原理计算表明，与Ti和Zr相比，较小尺寸的Nb和V原子对应的Frenkel对形成能较低，表明Nb/V富集的局域环境具有更高的早期空位可获得性，为He-空位复合体形成及氦泡早期形核提供了基础。

图1. Nb-Zr-Ti-V合金中氦泡演化及Frenkel对形成能特征

进一步的微观结构表征显示，小原子V倾向于在氦泡内侧界面附近富集，而大原子Zr则向外围区域重新分布，并进一步形成Zr富集的辐照诱导析出相。原子分辨表征表明，该析出相为亚稳FCC/FCT结构，并与BCC基体具有明确的晶体学取向关系。

图2. 氦泡周围辐照诱导偏聚及FCC析出相的结构表征

结合第一性原理计算发现，单纯Zr富集虽会逐渐降低BCC结构稳定性，但在自由弛豫条件下仍不足以直接诱发BCC→FCC转变；当考虑周围BCC基体施加的晶格约束后，Zr富集区域可发生BCC/FCC相对稳定性反转，并表现出沿Bain路径发生BCC→FCC转变的能量趋势。

图3. Zr富集与晶格约束对BCC/FCC相对稳定性的影响

基于上述结果，研究提出了“点缺陷形成—辐照诱导偏聚—局域结构失稳—氦泡长大”的耦合机制：原子尺寸失配首先影响不同元素相关点缺陷的形成倾向；随后，V和Zr分别在氦泡附近发生辐照诱导偏析，其中Zr在氦泡外围富集；Zr富集与基体晶格约束共同促进局域BCC→FCC/FCT结构转变；形成的辐照诱导析出相进一步改变局域缺陷输运和俘获行为，从而有利于已有氦泡持续长大。

图4. 原子尺寸失配调控缺陷偏聚、相变与氦泡演化的机制示意图

该研究表明，原子尺寸失配对BCC多主元合金的抗辐照性能具有双重作用。适度的晶格畸变能够调控点缺陷形成和迁移行为，但过强的小/大尺寸原子失衡可能促进辐照诱导偏聚、结构失稳和局域氦泡长大。因此，原子尺寸失配应与辐照条件下的化学稳定性和相稳定性协同考虑。