英文原题：
Current development of body‑centered cubic high‑entropy alloys for nuclear applications
摘要
第四代核反应堆在安全性、经济型和燃料循环等方面拥有独特的优势，然而其更高温度、更高辐照剂量、特殊的腐蚀环境等严苛的服役环境对核材料提出了挑战。高熵合金的设计理念极大的拓展了合金设计范围，为改良材料性能提供了可能。高熵合金已展现了优异的力学性能，在抗辐照、抗腐蚀等方向也被证明极具潜力，其中以难熔金属元素为主的体心立方结构（BCC）高熵合金拥有优异的高温力学性能和抗辐照肿胀能力，适用于先进反应堆的高温、高辐照环境。
近日，《Tungsten》编委、西安交通大学 卢晨阳教授团队在英文期刊《Tungsten》上在线发表了标题为“Current development of body‑centered cubic high‑entropy alloys for nuclear applications”的综述文章。该篇文章从中子经济性、中子活化、合金制备、高温稳定性、力学性能、辐照损伤和耐腐蚀性等方面整理总结了当前BCC高熵合金的研究进展，文章对上述方向的研究现状以及当前面临的挑战进行了分析与讨论。目前，核用BCC高熵合金的研发仍处于初期阶段，而核材料的选取依赖于各方面性能的综合评估。该综述旨在为研究者展现当前BCC高熵合金的发展全貌，为更有效的研发核用高熵合金打下基础。
图文详情
1、中子经济性与中子活化性能
BCC高熵合金在成分种类的选取上拥有上万种可能，因此从合金设计的角度，对于应用于反应堆内的核材料而言，从元素的中子吸收与活化性能上进行筛选至关重要。本文整理了BCC高熵合金中常见元素的中子反应截面和中子活度数据（见图1），并对已有的低活化合金体系的研究进展进行了总结。
其中，TiVTa、CrTaVWFe和TiCrVW等中、高熵合金在热稳定性、高温力学性能、辐照性能等方向各自体现了优良的性能，为核用低活化合金的研发打下基础
图 1 (a) 高熵合金中各元素（天然丰度）去弹性散射截面随中子能量的变化，（b）BCC高熵合金中各元素在D-T能谱下的中子活化性能（数据来源于Forrest et al. UKAEA FUS. 2009;552:339）
2、合金制备与力学性能
BCC高熵合金的力学性能已有较多研究，本文选择性的整理列举了70多种合金体系的低、高温力学性能（部分数据见表1），并对BCC高熵合金的材料制备、微观结构、机械性能、强化机制以及热稳定性进行了讨论。难熔元素本身拥有优异的高温力学性能，虽然低温塑性有待提高，但是包括HfNbTaTiZr、TiAlVNbMo、NbTaTiV、AlNbTiVZr在内的数个合金体系已体现良好的常温塑性。
除了元素种类和配比的影响，热机械加工方式以及相应的微观结构对于材料的性能也有深远影响。因此，目前并不能过于简单的总结出机械性能与元素种类之间的关系，仍有广阔的参数空间值得探索。
表 1 BCC高熵合金的常温和高温力学性能（部分数据，完整表格请见综述原文）
3、抗辐照性能
高熵合金的抗辐照性能在FCC体系上已有较为全面的研究[1]，主要体现在级联碰撞初期的热扩散速率、点缺陷行为以及缺陷团簇的扩散方式等方面。BCC高熵合金在结构上具有更大的晶格畸变，元素种类也不尽相同，目前通过理论计算和辐照实验已展开了一些初步研究（见表2）。
相比于单质金属，WTaCrV、NbTaTiV等合金在辐照实验中证实拥有更低的缺陷产生速率、低辐照硬化等特点，通过模拟计算发现BCC高熵合金的点缺陷性质与FCC体系也不尽相同。更深入、全面的辐照后微观结构表征以及相应的理论模拟分析将有利于进一步理解BCC高熵合金的抗辐照性能，包括辐照初期缺陷行为、辐照肿胀阈值和温度区间、缺陷团簇演化、结构短程有序对缺陷行为的影响等一系列问题。
[1] Lu et al., Nature Communications. 2016;7(1):1.
表 2 BCC高熵合金的辐照损伤研究（部分数据，完整表格请见综述原文）
4、耐腐蚀性能
不同的核电站类型（铅基反应堆、熔盐反应堆等）对核材料耐腐蚀性能有着不同的要求，除此之外，核废料的长期储存也要求储存容器可以抵御腐蚀防止泄漏。目前高熵合金的腐蚀主要集中在常温各种酸碱条件下的研究。由于元素种类较多，保护膜的形成机制以及各种元素的协同作用相对复杂。但是通过元素种类和比例的调节，BCC高熵合金可以达到优于传统合金的抗腐蚀性能（见图2）。
目前针对核电站服役环境的腐蚀研究较为有限，已报道的研究包括Al0.7CoCrFeNi在Pb-Bi环境下的腐蚀，AlCrMoNbZr高熵包壳涂层的高温水腐蚀等。材料的腐蚀机理也取决于所处的温度和媒介，并且辐照协同作用也可以影响材料的抗腐蚀性能。因此，针对四代堆环境的相关腐蚀研究仍有待完善。
图2 AlxCoCrFeNi和传统合金的耐腐蚀性能对比（腐蚀环境：常温3.5 wt.% NaCl溶液）（图片来源：Y. Shi etal. Corrosion Science. 2017; 119:33.）
总结与展望
对于核材料而言，虽然在理想状况下希望材料在所有性质上都表现突出，但由于不同方面的考量和限制，选择标准往往要兼顾各方性质从而实现整体性能的平衡。
本综述的目的之一就是提供一个全面的视角，为材料设计、筛选和研发提供帮助，从而实现更有效和更合理的核材料研发道路。高熵合金的设计理念为改良材料性能提供了广阔的可能性，目前针对BCC高熵合金的研究结果也体现了其优异的性能和充足的潜力。
在未来研发的道路上，需要在材料制备、机械性能、辐照效应以及腐蚀性能等方向上进行更深入的机理研究，并在不同合金体系的大胆尝试和特定材料的深入研究中达到平衡，借助高通量实验和计算方法，从而实现材料的有效筛选，使其在核能方向实现真正的工程应用。
引用
Shi T, Lei PH, Yan X, Li J, Zhou YD, Wang YP, Su ZX, Dou YK, He XF, Yun D, Yang W, Lu CY. Current development of body-centered cubic high-entropy alloys for nuclear applications. Tungsten. 2021. https://doi.org/10.1007/s42864-021-00086-6
全文链接
https://doi.org/10.1007/s42864-021-00086-6
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作者简介
卢晨阳
卢晨阳教授，西安交通大学核科学与技术学院，海外高层次人才引进计划获得者，西安交通大学青年拔尖人才计划A类，中国核学会辐照效应分会常务理事，科技部重点研发项目课题负责人，《Tungsten》期刊编委。
发表SCI论文50余篇，包括4篇Nature Communications，4篇Acta Materialia，10篇Journal of Nuclear Materials及其它多篇具有领域影响力的相关论文，文章总引用2200余次，H因子23。担任Nature Energy, Acta Materialia, Journal of Nuclear Materials等国际知名期刊审稿人。主要研究方向包括核结构材料制备、辐照损伤，以及微观结构的先进表征等。
课题组网站：http://gr.xjtu.edu.cn/web/chenylu
施坦
施坦助理教授，西安交通大学核科学与技术学院，博士毕业于美国密歇根大学核工程与放射科学专业，从事研究方向包括：金属与半导体材料的辐照损伤、中子探测器的表征与应用、辐射防护的模拟与设计等，目前主要从事高熵合金辐照损伤性能的多尺度计算。针对上述研究方向，在Nanoscale, Applied Materials and Interfaces, Applied Physics Letters等期刊上共发表SCI论文12篇，在美国劳伦斯伯克利国家实验室、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、中国高能物理研究所等研究机构拥有丰富的科研经历。
雷鹏辉
雷鹏辉助理教授，西安交通大学核科学与技术学院，博士毕业于厦门大学核工程与材料专业。研究领域：核材料与燃料研制、辐照效应、核废料处理。主要从事核结构材料的辐照损伤与辐照效应研究、新型核燃料和核废物固化体的研发与性能测试。共发表了19篇SCI论文，包括Nature Materials，Journal of Nuclear Materials，Corrosion Science，Journal of Alloys andCompounds等高水平期刊。
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