The high creep strength and high radiation resistance of nanostructured ferritic alloys (NFAs) have been generally attributed to the high-density precipitation of (O, Y)-core nano-clusters and nano-oxides. In this work, the early-stage nucleation of (O, X)-core (X = La, Ce, and Hf) nano-clusters (NCs) with respect to (O, Y)-core NCs in multi-element micro-alloyed NFAs was investigated using first-principles calculations. Their competitive precipitation preference and possible growth sequence were predicted. The (O–O) pair was suggested as the most fundamental core of all types of NCs. Yttrium always has the strongest affinity with the (O–O) pairs to initiate the nucleation of NCs during the early-stage nucleation. Under the absence or depletion of yttrium, other types of (O, X)-core (X = La, Ce, Hf) structures could form, leading to different nucleation paths with the preference ordering of (O, La)-core > (O, Ce)-core > (O, Hf)-core. NC nucleation and composition in NFAs would, thus, strongly depend on the number availabilities of micro-alloying solute species in the neighborhood of the (O–O) pairs.

1.
G. R.
Odette
,
M. J.
Alinger
, and
B. D.
Wirth
,
Annu. Rev. Mater. Res.
38
,
471
(
2008
).
2.
M. L.
Hamilton
,
D. S.
Gelles
,
R. J.
Lobsinger
,
G. D.
Johnson
,
W. F.
Brown
,
M. M.
Paxton
,
R. J.
Puigh
,
C. R.
Eiholzer
,
C.
Martinez
, and
M. A.
Blotter
, “Fabrication technological development of the oxide dispersion strengthened alloy MA957 for fast reactor applications,”
Technical Report
, Pacific Northwest National Lab (PNNL), Richland, WA, 2000.
3.
T.
Yamamoto
,
G. R.
Odette
,
P.
Miao
,
D. T.
Hoelzer
,
J.
Bentley
,
N.
Hashimoto
,
H.
Tanigawa
, and
R. J.
Kurtz
,
J. Nucl. Mater.
367–370
,
399
(
2007
).
4.
D. S.
Gelles
,
J. Nucl. Mater.
233–237
,
293
(
1996
).
5.
J.
Saito
,
T.
Suda
,
S.
Yamashita
,
S.
Ohnuki
,
H.
Takahashi
,
N.
Akasaka
,
M.
Nishida
, and
S.
Ukai
,
J. Nucl. Mater.
258–263
,
1264
(
1998
).
6.
S.
Yamashita
,
S.
Watanabe
,
S.
Ohnuki
,
H.
Takahashi
,
N.
Akasaka
, and
S.
Ukai
,
J. Nucl. Mater.
283–287
,
647
(
2000
).
7.
V. V.
Sagaradze
,
V. I.
Shalaev
,
V. L.
Arbuzov
,
B. N.
Goshchitskii
,
T.
Yun
,
Q.
Wan
, and
J.-g.
Sun
,
J. Nucl. Mater.
295
,
265
(
2001
).
8.
H.
Kishimoto
,
K.
Yutani
,
R.
Kasada
, and
A.
Kimura
,
Fusion Eng. Des.
81
,
1045
(
2006
).
9.
M. K.
Miller
,
D. T.
Hoelzer
,
E. A.
Kenik
, and
K. F.
Russell
,
Intermetallics
13
,
387
(
2005
).
10.
T. R.
Allen
,
J. T.
Busby
,
R. L.
Klueh
,
S. A.
Maloy
, and
M. B.
Toloczko
,
JOM
60
,
15
(
2008
).
11.
L. L.
Hsiung
,
M. J.
Fluss
,
S. J.
Tumey
,
B. W.
Choi
,
Y.
Serruys
,
F.
Willaime
, and
A.
Kimura
,
Phys. Rev. B
82
,
184103
(
2010
).
12.
Y.
Jin
,
Y.
Jiang
,
L.
Yang
,
G.
Lan
,
G. R.
Odette
,
T.
Yamamoto
,
J.
Shang
, and
Y.
Dang
,
J. Appl. Phys.
116
,
143501
(
2014
).
13.
L.
Yang
,
Y.
Jiang
,
Y.
Wu
,
G. R.
Odette
,
Z.
Zhou
, and
Z.
Lu
,
Acta Mater.
103
,
474
(
2016
).
14.
T.
Danielson
,
E.
Tea
, and
C.
Hin
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
30128
(
2016
).
15.
T.
Danielson
and
C.
Hin
,
J. Nucl. Mater.
452
,
189
(
2014
).
16.
E.
Materna-Morris
,
R.
Lindau
,
H. C.
Schneider
, and
A.
Möslang
,
Fusion Eng. Des.
98–99
,
2038
(
2015
).
17.
S.
Ukai
,
T.
Okuda
,
M.
Fujiwara
,
T.
Kobayashi
,
S.
Mizuta
, and
H.
Nakashima
,
J. Nucl. Sci. Technol.
39
,
872
(
2002
).
18.
S.
He
,
Q.
Qian
,
Z.
Huang
,
Y.
Gong
,
J.
Chen
,
Y.
Wang
, and
Y.
Jiang
,
Acta Metall. Sin. (Engl. Lett.)
34
,
955
(
2021
).
19.
Y.
Jiang
,
J. R.
Smith
, and
G. R.
Odette
,
Phys. Rev. B
79
,
064103
(
2009
).
20.
Q.
Qian
,
Y.
Wang
,
Y.
Jiang
,
C.
He
, and
T.
Hu
,
J. Nucl. Mater.
518
,
140
(
2019
).
21.
L.
Barnard
,
G.
Odette
,
I.
Szlufarska
, and
D.
Morgan
,
Acta Mater.
60
,
935
(
2012
).
22.
S.
Yamashita
,
S.
Ohtsuka
,
N.
Akasaka
,
S.
Ukai
, and
S.
Ohnuki
,
Philos. Mag. Lett.
84
,
525
(
2004
).
23.
M.
Klimiankou
,
R.
Lindau
, and
A.
Möslang
,
J. Cryst. Growth
249
,
381
(
2003
).
24.
M.
Klimiankou
,
R.
Lindau
, and
A.
Möslang
,
J. Nucl. Mater.
329–333
,
347
(
2004
).
25.
M.
Klimiankou
,
R.
Lindau
, and
A.
Möslang
,
Micron
36
,
1
(
2005
).
26.
A.
Kimura
,
R.
Kasada
,
N.
Iwata
,
H.
Kishimoto
,
C.
Zhang
,
J.
Isselin
,
P.
Dou
,
J.
Lee
,
N.
Muthukumar
,
T.
Okuda
,
M.
Inoue
,
S.
Ukai
,
S.
Ohnuki
,
T.
Fujisawa
, and
T. F.
Abe
,
J. Nucl. Mater.
417
,
176
(
2011
).
27.
S.
Ukai
and
M.
Fujiwara
,
J. Nucl. Mater.
307–311
,
749
(
2002
).
28.
C.
Yu
,
H.
Oka
,
N.
Hashimoto
, and
S.
Ohnuki
,
J. Nucl. Mater.
417
,
286
(
2011
).
29.
P.
Dou
,
A.
Kimura
,
R.
Kasada
,
T.
Okuda
,
M.
Inoue
,
S.
Ukai
,
S.
Ohnuki
,
T.
Fujisawa
, and
F.
Abe
,
J. Nucl. Mater.
444
,
441
(
2014
).
30.
A.
Kimura
,
H.
Cho
,
N.
Toda
,
R.
Kasada
,
K.
Yutani
,
H.
Kishimoto
,
N.
Iwata
,
S.
Ukai
, and
M.
Fujiwara
,
J. Nucl. Sci. Technol.
44
,
323
(
2007
).
31.
H. S.
Cho
,
A.
Kimura
,
S.
Ukai
, and
M.
Fujiwara
,
J. Nucl. Mater.
329–333
,
387
(
2004
).
32.
P.
Dou
,
A.
Kimura
,
T.
Okuda
,
M.
Inoue
,
S.
Ukai
,
S.
Ohnuki
,
T.
Fujisawa
, and
F.
Abe
,
J. Nucl. Mater.
417
,
166
(
2011
).
33.
J. H.
Lee
,
R.
Kasada
,
A.
Kimura
,
T.
Okuda
,
M.
Inoue
,
S.
Ukai
,
S.
Ohnuki
,
T.
Fujisawa
, and
F.
Abe
,
J. Nucl. Mater.
417
,
1225
(
2011
).
34.
S.
Li
,
Z.
Zhou
,
M.
Li
,
M.
Wang
, and
G.
Zhang
,
J. Alloys Compd.
648
,
39
(
2015
).
35.
G.
Zhang
,
Z.
Zhou
,
K.
Mo
,
Y.
Miao
,
S.
Li
,
X.
Liu
,
M.
Wang
,
J.
Park
,
J.
Almer
, and
J. F.
Stubbins
,
Mater. Design
98
,
61
(
2016
).
36.
F.
Barbier
and
A.
Rusanov
,
J. Nucl. Mater.
296
,
231
(
2001
).
37.
I. V.
Gorynin
,
G. P.
Karzov
,
V. G.
Markov
, and
V. A.
Yakovlev
,
Met. Sci. Heat Treat.
41
,
384
(
1999
).
38.
Q.
Huang
,
S.
Gao
,
Z.
Zhu
,
M.
Zhang
,
Y.
Song
,
C.
Li
,
Y.
Chen
,
X.
Ling
, and
X.
Zhou
,
Fusion Eng. Des.
84
,
242
(
2009
).
39.
L.
Song
,
X.
Yang
,
Y.
Zhao
,
W.
Wang
, and
X.
Mao
,
J. Nucl. Mater.
519
,
22
(
2019
).
40.
P.
Dou
,
S.
Jiang
,
L.
Qiu
, and
A.
Kimura
,
J. Nucl. Mater.
531
,
152025
(
2020
).
41.
P.
Yan
,
L.
Yu
,
Y.
Liu
,
C.
Liu
,
H.
Li
, and
J.
Wu
,
J. Alloys Compd.
739
,
368
(
2018
).
42.
C. M.
Parish
,
K. A.
Unocic
,
L.
Tan
,
S. J.
Zinkle
,
S.
Kondo
,
L. L.
Snead
,
D. T.
Hoelzer
, and
Y.
Katoh
,
J. Nucl. Mater.
483
,
21
(
2017
).
43.
R.
Husák
,
H.
Hadraba
,
Z.
Chlup
,
M.
Heczko
,
T.
Kruml
, and
V.
Puchý
,
Metals
9
,
1148
(
2019
).
44.
Z.
Li
,
Z.
Lu
,
R.
Xie
,
C.
Lu
,
Y.
Shi
, and
C.
Liu
,
Fusion Eng. Des.
121
,
159
(
2017
).
45.
S.
Pasebani
,
I.
Charit
,
D. P.
Butt
,
J. I.
Cole
,
Y.
Wu
, and
J.
Burns
,
Adv. Eng. Mater.
18
,
324
(
2016
).
46.
S.
Pasebani
and
I.
Charit
,
J. Alloys Compd.
599
,
206
(
2014
).
47.
A.
Kumar
,
B.
Jayabalan
,
C.
Singh
,
J.
Jain
,
S.
Mukherjee
,
K.
Biswas
, and
S. S.
Singh
,
Mater. Sci. Eng. A
837
,
142746
(
2022
).
48.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Comput. Mater. Sci.
6
,
15
(
1996
).
49.
G.
Kresse
and
D.
Joubert
,
Phys. Rev. B
59
,
1758
(
1999
).
50.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
51.
H. J.
Monkhorst
and
J. D.
Pack
,
Phys. Rev. B
13
,
5188
(
1976
).
52.
F. D.
Murnaghan
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
30
,
244
(
1944
).
54.
H.
Giefers
and
M.
Nicol
,
J. Alloys Compd.
422
,
132
(
2006
).
55.
F. H.
Spedding
,
A. H.
Daane
, and
K. W.
Herrmann
,
Acta Crystallogr.
9
,
559
(
1956
).
56.
C.
Kittel
and
P.
McEuen
,
Introduction to Solid State Physics
,
8th ed.
(
John Wiley & Sons
,
2018
).
57.
C. E.
Hu
,
Z. Y.
Zeng
,
L.
Zhang
,
X. R.
Chen
, and
L. C.
Cai
,
Physica B
406
,
669
(
2011
).
58.
M.
Casadei
,
X.
Ren
,
P.
Rinke
,
A.
Rubio
, and
M.
Scheffler
,
Phys. Rev. B
93
,
075153
(
2016
).
59.
J. S.
Olsen
,
L.
Gerward
,
U.
Benedict
, and
J.-P.
Itié
,
Physica B + C
133
,
129
–137 (
1985
).
60.
H.
Okamoto
,
Bull. Alloy Phase Diagrams
11
,
396
(
1990
).
61.
W.
Weiss
and
W.
Ranke
,
Prog. Surf. Sci.
70
,
1
(
2002
).
62.
C.
Barad
,
G.
Kimmel
,
B. A.
Rosen
,
A.
Sahartov
,
H.
Hayun
,
J.
Zabicky
, and
Y.
Gelbstein
,
J. Alloys Compd.
885
,
161199
(
2021
).
63.
S.
Mohan
,
G.
Kaur
,
B. K.
Panigrahi
,
C.
David
, and
G.
Amarendra
,
J. Alloys Compd.
767
,
122
(
2018
).
64.
D.
Murali
,
B. K.
Panigrahi
,
M. C.
Valsakumar
,
S.
Chandra
,
C. S.
Sundar
, and
B.
Raj
,
J. Nucl. Mater.
403
,
113
(
2010
).
65.
M.
Posselt
,
D.
Murali
, and
B. K.
Panigrahi
,
Modell. Simul. Mater. Sci. Eng.
22
,
085003
(
2014
).
66.
X.
Gao
,
H.
Ren
,
Y.
Li
, and
H.
Wang
,
Rare Metal Mater Eng
46
,
3188
(
2017
).
67.
M.
Idbenali
,
N.
Selhaoui
,
L.
Bouirden
, and
C.
Servant
,
J. Alloys Compd.
456
,
151
(
2008
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.