Abstract A grand challenge in material science is to understand the correlation between intrinsic properties and defect dynamics. Radiation tolerant materials are in great demand for safe operation and advancement of nuclear and aerospace systems. Unlike traditional approaches that rely on microstructural and nanoscale features to mitigate radiation damage, this study demonstrates enhancement of radiation tolerance with the suppression of void formation by two orders magnitude at elevated temperatures in equiatomic single-phase concentrated solid solution alloys, and more importantly, reveals its controlling mechanism through a detailed analysis of the depth distribution of defect clusters and an atomistic computer simulation. The enhanced swelling resistance is attributed to the tailored interstitial defect cluster motion in the alloys from a long-range one-dimensional mode to a short-range three-dimensional mode, which leads to enhanced point defect recombination. The results suggest design criteria for next generation radiation tolerant structural alloys.

A grand challenge in materials research is to understand complex electronic correlation and non-equilibrium atomic interactions, and how such intrinsic properties and dynamic processes affect energy transfer and defect evolution in irradiated materials. Here we report that chemical disorder, with an increasing number of principal elements and/or altered concentrations of specific elements, in single-phase concentrated solid solution alloys can lead to substantial reduction in electron mean free path and orders of magnitude decrease in electrical and thermal conductivity. The subsequently slow energy dissipation affects defect dynamics at the early stages, and consequentially may result in less deleterious defects. Suppressed damage accumulation with increasing chemical disorder from pure nickel to binary and to more complex quaternary solid solutions is observed. Understanding and controlling energy dissipation and defect dynamics by altering alloy complexity may pave the way for new design principles of radiation-tolerant structural alloys for energy applications.

Recently a new class of metal alloys, of single-phase multicomponent composition at roughly equal atomic concentrations ("equiatomic"), have been shown to exhibit promising mechanical, magnetic, and corrosion resistance properties, in particular, at high temperatures. These features make them potential candidates for components of next-generation nuclear reactors and other high-radiation environments that will involve high temperatures combined with corrosive environments and extreme radiation exposure. In spite of a wide range of recent studies of many important properties of these alloys, their radiation tolerance at high doses remains unexplored. In this work, a combination of experimental and modeling efforts reveals a substantial reduction of damage accumulation under prolonged irradiation in single-phase NiFe and NiCoCr alloys compared to elemental Ni. This effect is explained by reduced dislocation mobility, which leads to slower growth of large dislocation structures. Moreover, there is no observable phase separation, ordering, or amorphization, pointing to a high phase stability of this class of alloys.

Multielement solid solution alloys are intrinsically disordered on the atomic scale, and many of their advanced properties originate from the local structural characteristics. The local structure of a NiCoCr solid solution alloy is measured with x-ray or neutron total scattering and extended x-ray absorption fine structure (EXAFS) techniques. The atomic pair distribution function analysis does not exhibit an observable structural distortion. However, an EXAFS analysis suggests that the Cr atoms are favorably bonded with Ni and Co in the solid solution alloys. This short-range order (SRO) may make an important contribution to the low values of the electrical and thermal conductivities of the Cr-alloyed solid solutions. In addition, an EXAFS analysis of Ni ion irradiated samples reveals that the degree of SRO in NiCoCr alloys is enhanced after irradiation.

A group of single-phase concentrated solid-solution alloys (SP-CSAs), including NiFe, NiCoFe, NiCoFeCr, as well as a high entropy alloy NiCoFeCrMn, was irradiated with 3 MeV Ni2+ ions at 773 K to a fluence of 5 × 1016 ions/cm2 for the study of radiation response with increasing compositional complexity. Advanced transmission electron microscopy (TEM) with electron energy loss spectroscopy (EELS) was used to characterize the dislocation loop distribution and radiation-induced segregation (RIS) on defect clusters in the SP-CSAs. The results show that a higher fraction of faulted loops exists in the more compositionally complex alloys, which indicate that increasing compositional complexity can extend the incubation period and delay loop growth. The RIS behaviors of each element in the SP-CSAs were observed as follows: Ni and Co tend to enrich, but Cr, Fe and Mn prefer to deplete near the defect clusters. RIS level can be significantly suppressed by increasing compositional complexity due to the sluggish atom diffusion. According to molecular static (MS) simulations, "disk" like segregations may form near the faulted dislocation loops in the SP-CSAs. Segregated elements tend to distribute around the whole faulted loop as a disk rather than only around the edge of the loop.

Equiatomic alloys (e.g. high entropy alloys) have recently attracted considerable interest due to their exceptional properties, which might be closely related to their extreme disorder induced by the chemical complexity. In order to understand the effects of chemical complexity on their fundamental physical properties, a family of (eight) Ni-based, face-center-cubic (FCC), equiatomic alloys, extending from elemental Ni to quinary high entropy alloys, has been synthesized, and their electrical, thermal, and magnetic properties are systematically investigated in the range of 4-300 K by combining experiments with ab initio Korring-Kohn-Rostoker coherent-potential-approximation (KKR-CPA) calculations. The scattering of electrons is significantly increased due to the chemical (especially magnetic) disorder. It has weak correlation with the number of elements but strongly depends on the type of elements. Thermal conductivities of the alloys are largely lower than pure metals, primarily because the high electrical resistivity suppresses the electronic thermal conductivity. The temperature dependence of the electrical and thermal transport properties is further discussed, and the magnetization of five alloys containing three or more elements is measured in magnetic fields up to 4 T.