反应堆结构材料长期服役于高温、高剂量辐照、强氧化腐蚀等极端环境，传统合金已经不能满足下一代先进核反应堆的服役需求，成为限制核能领域发展的“卡脖子”难题。高熵合金（High-entropy alloys, HEA）是以多种过渡族金属元素作为组元的新型固溶体材料，具有独特的力学、物理和化学性质，尤其在高温力学、抗辐照等方面表现出优异的性能。目前，在高熵合金中，通过固溶“尺寸差异”原子从而引入额外的化学有序性或晶格畸变是一种提高其机械性能和抗辐照性能的有效策略。例如，浙江大学余倩教授等报道了一种新的含Pd高熵合金，由于其独特的局部化学有序结构，使其展现出显著优于传统Cantor合金的机械性能(Tuning element distribution, structure and properties by composition in high-entropy alloys, 2019, Nature)；在抗辐照性能方面，西安交通大学卢晨阳教授等报道了在NiCoFeCrPd中观察到的位错环尺寸比NiCoFeCrMn小，这是由于NiCoFeCrPd中的局部晶格畸变较高(Enhanced void swelling in NiCoFeCrPd high-entropy alloy by indentation-induced dislocations, 2018, Materials Research Letters)。但是，由Pd合金化引入的局部化学有序和晶格畸变对高熵合金抗辐照性能，尤其是对氦（He）气泡生长演化、辐照硬化机制的影响规律还尚未得到系统阐明。
付恩刚团队利用高分辨S/TEM和纳米压痕技术，结合第一性原理计算，研究了高温He离子辐照下(FeCrNi)75Co25-xPdx(x=0, 5, 15, 25)高熵合金的He泡演化与辐照硬化情况。结果表明：与不含Pd的FeCrNiCo高熵合金相比，Pd的合金化会抑制辐照位错环的演化，但却促进He气泡的粗化。其机制可被归纳为：虽然Pd的合金化能通过局部晶格畸变来限制辐照位错环的演化，但这也同时会显著降低了整个高熵合金系统的空位形成能（同时提高间隙迁移能），从而促进了He泡的演化。这导致在低的He辐照剂量下，Pd的合金化会抑制高熵合金发生辐照硬化（Loop主导的硬化机制）；但当He辐照剂量足够高时，含Pd高熵合金反常地表现出更高的辐照硬化率（Bubble导致的硬化占比足够高时）。本研究有助于阐明Pd合金化对高熵合金中气泡演化和辐照诱导硬化行为的影响，从而有助于核能系统中抗辐照高熵合金的设计与研发。
相关研究以The design of Pd-containing high-entropy alloys and their hardening behavior under He ion irradiation为题发表于近期的《Acta Materialia》上（Acta Mater. 261 (2023) 19404;文章链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119404）
该论文的第一作者为北京大学物理学院博士研究生申尚昆和郝立宇；通讯作者为北京大学物理学院付恩刚教授。该工作得到了国家自然科学基金，国家磁约束核聚变能发展研究专项和北京自然科学基金的支持。本文同时得到厦门大学400 kV离子注入机实验室，上海交通大学分析测试中心、北京大学电镜中心和北京大学核技术应用实验室的支持。
图1：原子级分辨的（a）0Pd样品；（b）5Pd样品（c）15Pd样品和（d）25Pd样品的STEM-HAADF图像；
（e）和（f）分别为0Pd和25Pd样品的原子级分辨EDS能谱和元素线扫描结果
图2：不同Pd含量高熵合金（x = 0，5，15，25）中经过不同He离子辐照剂量（5×1016, 1×1017, 5×1017ions/cm2）后的He泡微观形貌
