聚变能是人类理想的未来能源之一。钨、钼、钒等难熔金属是聚变堆的关键结构材料。这类金属具有体心立方结构，在高能粒子辐照后通常表现出超过100%的辐照硬化，远高于面心立方和密排六方金属。钨是聚变堆面向等离子体第一壁和偏滤器的最佳候选材料，它具有高熔点、良好的热导率、低氚滞留率和低溅射率。在聚变堆中，钨会经受高能粒子辐照和高热流轰击，氢、氦等被注入钨中，与辐照产生的空位结合形成气泡，使钨发生辐照硬化。然而，基于电镜观察到的纳米尺度辐照缺陷(如气泡、空洞或位错环)并不能准确地评估这类辐照硬化。长期以来，研究者猜测，体心立方金属的超高辐照硬化与大量的不可见辐照缺陷有关。这类缺陷通常是原子尺度，区别于尺寸较大的缺陷团簇，如位错环、空洞或气泡，所以从实验上获得它们的尺寸、密度和强化效果非常具有挑战性。因此，不可见辐照缺陷-“暗物质”-硬化的假设一直缺乏直接的实现证据支撑。
图1 钨的超高辐照硬化
近日，西安交通大学材料学院微纳中心韩卫忠教授课题组系统研究了高温氦离子辐照钨的强化机理。原位测试表明，氦离子辐照后，钨的屈服强度提高了两倍（如图1所示）。基于透射电镜观察的氦泡等缺陷估算的强化量只占实验测得强化值的不到30%。对比结果表明，除了可见氦泡的强化外，还应当存在另外一种更加主导的强化机制。为了评估不可见的辐照点缺陷，研究中采用氦离子作为标记原子，通过氦离子的分布来推测辐照诱导点缺陷的分布。研究表明，可见氦泡中的氦只占注入总氦量的很小比例，超过80%以上的氦仍然隐藏在晶格中（如图2所示）。由于氦和空位具有很强的结合能，注入的大量氦隐藏在空位中，形成氦-空位复合体。结合纳米力学测试，透射电子显微镜分析和分子动力学模拟，发现钨的超高辐照硬化源于位错与大量不可见的点缺陷复合体的强烈相互作用，尤其是空位和氦-空位复合体对位错的强烈钉扎。原位纳米力学测试和分子动力学计算表明，这些点缺陷复合体可阻碍位错运动，特别是对刃位错钉扎更加明显，使位错滑移的阻力提高了1 GPa以上，使得钨中由长直螺位错主导的塑性变形转变为了由环状混合位错协调的变形。这一现象与体心立方金属具有很高的空位迁移能密切相关。在中低温条件下，辐照产生的大部分空位仍然隐藏在晶格中，很难通过迁移发生聚集长大。这类离散分布的点缺陷尺寸极小，密度极高，通常被称为金属材料中的“暗物质”，尤其是与氦、氢等元素复合后会形成强钉扎点，导致金属材料发生显著强化和脆化。该研究揭示了体心立方金属中的一种新型辐照强化机制，即不可见点缺陷复合体-“暗物质”-硬化。
图2 大量不可见点缺陷复合体造成了钨的超高辐照硬化
相关工作以“Atomic-Scale Hidden Point-Defect Complexes Induce Ultrahigh-Irradiation Hardening in Tungsten”为题发表在学术期刊 Nano Letters 。西安交通大学材料学院硕士生郑若瑶为论文第一作者，韩卫忠教授为论文通讯作者，合作者包括加州大学圣巴巴拉分校Irene Beyerlein教授和Wu-Rong Jian博士。该工作得到了国家自然科学基金（优青、面上）等项目的共同资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c01637