近日，南华大学、湖南大学、芬兰University of Helsinki等单位围绕“高熵合金氦辐照损伤与界面调控机制”持续开展研究，在纳米孪晶抑制氦泡肿胀和降低氦滞留方面取得重要进展。相关论文“Nanotwinning suppresses helium swelling in FeCoCrNi high-entropy alloy”发表于核材料领域期刊《Journal of Nuclear Materials》。第一作者为南华大学安旭东，通讯作者为湖南大学杨腾飞、芬兰University of Helsinki卢二阳、南华大学伍海彪。

核反应堆服役环境中，高温辐照和核嬗变会在结构材料中持续产生氦原子、空位、间隙原子和位错环等缺陷。由于氦在金属材料中溶解度极低且迁移能力强，容易与空位结合形成氦-空位复合体，并进一步演化为氦泡，最终导致材料发生体积肿胀、高温氦脆和力学性能退化。高熵合金因其复杂成分和优异综合性能被认为是先进核能系统候选结构材料，但仅依赖成分调控来提升抗辐照性能仍受到相稳定性和设计空间的限制。

针对这一挑战，团队提出利用纳米孪晶界面工程调控FeCoCrNi高熵合金中的辐照缺陷和氦行为。研究通过液氮温度低温轧制在单相FCC FeCoCrNi高熵合金中引入高密度纳米孪晶，并结合TEM、XRD、拉伸测试、SRIM模拟和ERDA氦浓度分析，系统揭示纳米孪晶界对氦泡形核长大、位错缺陷演化和氦滞留行为的影响机制。

团队首先对FeCoCrNi高熵合金低温轧制前后的组织结构进行了表征。结果显示，未变形样品保持单相FCC结构，组织中未观察到明显析出相；经液氮温度低温轧制后，合金中形成了高密度纳米孪晶，平均孪晶厚度约为16.81 ± 2 nm。XRD结果进一步证实，轧制前后样品均保持单相FCC结构，说明该工艺能够在不改变基体相结构的前提下有效构筑高密度孪晶界面，为后续调控氦辐照损伤提供了组织调控基础。

图1 低温轧制在FeCoCrNi高熵合金中引入高密度纳米孪晶结构

力学性能测试表明，纳米孪晶的引入显著提高了合金承载能力。与未变形样品相比，低温轧制样品的抗拉强度分别提升了432%和83%。断口形貌显示，低温轧制样品中孔洞密度增加，表明高密度孪晶界和变形缺陷在阻碍位错运动、增强局部硬化的同时，也加速了微孔形核并降低了延伸率。

图2 纳米孪晶显著提升FeCoCrNi高熵合金的强度

在723 K氦离子辐照后，团队通过TEM对两种样品中的氦泡进行了统计分析。结果显示，未变形样品中氦泡平均尺寸为2.63 ± 0.64 nm，氦泡密度为5.61 × 10²³ m⁻³；而含纳米孪晶样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。对应的氦致肿胀率也由1.77%降低至0.71%，说明纳米孪晶能够有效抑制氦原子聚集和氦泡长大。

图3 纳米孪晶抑制氦泡长大并降低氦泡密度

除氦泡外，团队进一步比较了两种样品中辐照诱导位错缺陷的演化行为。TEM结果表明，未变形样品中位错缺陷平均尺寸为9.67 ± 0.23 nm，而含纳米孪晶样品中降低至8.49 ± 0.47 nm，并且缺陷在孪晶界附近呈现较均匀分布。该结果说明，纳米孪晶界可以作为有效缺陷汇，吸收辐照产生的空位和间隙原子，促进点缺陷复合，从而限制位错环和缺陷团簇进一步长大。

图4 纳米孪晶降低辐照诱导位错缺陷尺寸

为了揭示纳米孪晶影响氦泡演化的局部机制，团队重点分析了孪晶界附近的氦泡分布。结果显示，未变形样品中氦泡分布相对均匀，而含纳米孪晶样品中氦泡明显受孪晶界调控：高密度孪晶区域氦泡数量显著减少，孪晶界附近形成氦泡贫化区，同时部分氦泡沿孪晶界富集。进一步统计表明，相邻孪晶界之间的氦泡密度在中间区域较高、靠近孪晶界处降低，说明孪晶界能够通过吸收点缺陷、降低局部空位供应来抑制氦泡形核。

图5 孪晶界诱导氦泡贫化区并调控氦泡空间分布

团队采用ERDA进一步定量分析了氦在辐照样品中的深度分布。结果显示，两种样品中氦信号均可在表面以下约300 nm范围内检测到，实验测得的氦分布宽于SRIM模拟结果，说明高温辐照下氦扩散和辐照缺陷捕获共同影响氦的再分布。未变形样品的总氦浓度为2.68 × 10¹⁶ He/cm²，氦滞留率约为53.6%；含纳米孪晶样品则降低至1.92 × 10¹⁶ He/cm²和38.4%，表明纳米孪晶能够显著降低材料中的氦滞留。

图6 纳米孪晶显著降低FeCoCrNi高熵合金中的氦滞留

高分辨TEM结果进一步揭示了纳米孪晶界在辐照过程中的结构响应。辐照前，低温轧制样品中的孪晶界结构清晰；辐照后，孪晶界附近出现界面增厚和高密度层错结构，说明辐照诱导缺陷与孪晶界发生了强烈相互作用。该现象表明，纳米孪晶界不仅作为静态平面缺陷汇吸收辐照点缺陷，还可能参与Frank位错环解离和层错形成，从而进一步抑制辐照缺陷的聚集与长大。

图7 氦辐照诱导孪晶界结构重构和层错形成

论文信息：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.