南華大學(xué)：納米孿晶界面工程揭示FeCoCrNi高熵合金抗氦致腫脹機(jī)制

近日，南華大學(xué)、湖南大學(xué)、芬蘭University of Helsinki等單位圍繞“高熵合金氦輻照損傷與界面調(diào)控機(jī)制”持續(xù)開展研究，在納米孿晶抑制氦泡腫脹和降低氦滯留方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)論文“Nanotwinning suppresses helium swelling in FeCoCrNi high-entropy alloy”發(fā)表于核材料領(lǐng)域期刊《Journal of Nuclear Materials》。第一作者為南華大學(xué)安旭東，通訊作者為湖南大學(xué)楊騰飛、芬蘭University of Helsinki盧二陽、南華大學(xué)伍海彪。

核反應(yīng)堆服役環(huán)境中，高溫輻照和核嬗變會在結(jié)構(gòu)材料中持續(xù)產(chǎn)生氦原子、空位、間隙原子和位錯(cuò)環(huán)等缺陷。由于氦在金屬材料中溶解度極低且遷移能力強(qiáng)，容易與空位結(jié)合形成氦-空位復(fù)合體，并進(jìn)一步演化為氦泡，最終導(dǎo)致材料發(fā)生體積腫脹、高溫氦脆和力學(xué)性能退化。高熵合金因其復(fù)雜成分和優(yōu)異綜合性能被認(rèn)為是先進(jìn)核能系統(tǒng)候選結(jié)構(gòu)材料，但僅依賴成分調(diào)控來提升抗輻照性能仍受到相穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)空間的限制。

針對這一挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)提出利用納米孿晶界面工程調(diào)控FeCoCrNi高熵合金中的輻照缺陷和氦行為。研究通過液氮溫度低溫軋制在單相FCC FeCoCrNi高熵合金中引入高密度納米孿晶，并結(jié)合TEM、XRD、拉伸測試、SRIM模擬和ERDA氦濃度分析，系統(tǒng)揭示納米孿晶界對氦泡形核長大、位錯(cuò)缺陷演化和氦滯留行為的影響機(jī)制。

團(tuán)隊(duì)首先對FeCoCrNi高熵合金低溫軋制前后的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。結(jié)果顯示，未變形樣品保持單相FCC結(jié)構(gòu)，組織中未觀察到明顯析出相；經(jīng)液氮溫度低溫軋制后，合金中形成了高密度納米孿晶，平均孿晶厚度約為16.81 ± 2 nm。XRD結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，軋制前后樣品均保持單相FCC結(jié)構(gòu)，說明該工藝能夠在不改變基體相結(jié)構(gòu)的前提下有效構(gòu)筑高密度孿晶界面，為后續(xù)調(diào)控氦輻照損傷提供了組織調(diào)控基礎(chǔ)。

圖1 低溫軋制在FeCoCrNi高熵合金中引入高密度納米孿晶結(jié)構(gòu)

力學(xué)性能測試表明，納米孿晶的引入顯著提高了合金承載能力。與未變形樣品相比，低溫軋制樣品的抗拉強(qiáng)度分別提升了432%和83%。斷口形貌顯示，低溫軋制樣品中孔洞密度增加，表明高密度孿晶界和變形缺陷在阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、增強(qiáng)局部硬化的同時(shí)，也加速了微孔形核并降低了延伸率。

圖2 納米孿晶顯著提升FeCoCrNi高熵合金的強(qiáng)度

在723 K氦離子輻照后，團(tuán)隊(duì)通過TEM對兩種樣品中的氦泡進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果顯示，未變形樣品中氦泡平均尺寸為2.63 ± 0.64 nm，氦泡密度為5.61 × 1023 m?3；而含納米孿晶樣品中氦泡平均尺寸降低至2.28 ± 0.46 nm，氦泡密度降低至2.94 × 1023 m?3。對應(yīng)的氦致腫脹率也由1.77%降低至0.71%，說明納米孿晶能夠有效抑制氦原子聚集和氦泡長大。

圖3 納米孿晶抑制氦泡長大并降低氦泡密度

除氦泡外，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步比較了兩種樣品中輻照誘導(dǎo)位錯(cuò)缺陷的演化行為。TEM結(jié)果表明，未變形樣品中位錯(cuò)缺陷平均尺寸為9.67 ± 0.23 nm，而含納米孿晶樣品中降低至8.49 ± 0.47 nm，并且缺陷在孿晶界附近呈現(xiàn)較均勻分布。該結(jié)果說明，納米孿晶界可以作為有效缺陷匯，吸收輻照產(chǎn)生的空位和間隙原子，促進(jìn)點(diǎn)缺陷復(fù)合，從而限制位錯(cuò)環(huán)和缺陷團(tuán)簇進(jìn)一步長大。

圖4 納米孿晶降低輻照誘導(dǎo)位錯(cuò)缺陷尺寸

為了揭示納米孿晶影響氦泡演化的局部機(jī)制，團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)分析了孿晶界附近的氦泡分布。結(jié)果顯示，未變形樣品中氦泡分布相對均勻，而含納米孿晶樣品中氦泡明顯受孿晶界調(diào)控：高密度孿晶區(qū)域氦泡數(shù)量顯著減少，孿晶界附近形成氦泡貧化區(qū)，同時(shí)部分氦泡沿孿晶界富集。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)表明，相鄰孿晶界之間的氦泡密度在中間區(qū)域較高、靠近孿晶界處降低，說明孿晶界能夠通過吸收點(diǎn)缺陷、降低局部空位供應(yīng)來抑制氦泡形核。

圖5 孿晶界誘導(dǎo)氦泡貧化區(qū)并調(diào)控氦泡空間分布

團(tuán)隊(duì)采用ERDA進(jìn)一步定量分析了氦在輻照樣品中的深度分布。結(jié)果顯示，兩種樣品中氦信號均可在表面以下約300 nm范圍內(nèi)檢測到，實(shí)驗(yàn)測得的氦分布寬于SRIM模擬結(jié)果，說明高溫輻照下氦擴(kuò)散和輻照缺陷捕獲共同影響氦的再分布。未變形樣品的總氦濃度為2.68 × 101? He/cm2，氦滯留率約為53.6%；含納米孿晶樣品則降低至1.92 × 101? He/cm2和38.4%，表明納米孿晶能夠顯著降低材料中的氦滯留。

圖6 納米孿晶顯著降低FeCoCrNi高熵合金中的氦滯留

高分辨TEM結(jié)果進(jìn)一步揭示了納米孿晶界在輻照過程中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。輻照前，低溫軋制樣品中的孿晶界結(jié)構(gòu)清晰；輻照后，孿晶界附近出現(xiàn)界面增厚和高密度層錯(cuò)結(jié)構(gòu)，說明輻照誘導(dǎo)缺陷與孿晶界發(fā)生了強(qiáng)烈相互作用。該現(xiàn)象表明，納米孿晶界不僅作為靜態(tài)平面缺陷匯吸收輻照點(diǎn)缺陷，還可能參與Frank位錯(cuò)環(huán)解離和層錯(cuò)形成，從而進(jìn)一步抑制輻照缺陷的聚集與長大。

圖7 氦輻照誘導(dǎo)孿晶界結(jié)構(gòu)重構(gòu)和層錯(cuò)形成

論文信息：Xudong An, Jiulong Zhu, Eryang Lu, Kenichiro Mizohata, Haibiao Wu, Zhehao Chen, Wenyi Huo, Te Zhu, Fengjiao Ye, Xingzhong Cao, Huiqiu Deng, Tengfei Yang. Nanotwinning suppresses helium swelling in FeCoCrNi high-entropy alloy[J]. Journal of Nuclear Materials, 2026, 631: 156862.DOI: 10.1016/j.jnucmat.2026.156862.

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號，感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。

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