Helium Trapping Mechanisms in Nickel Alloys under the Synergistic Effects of Elemental Segregation and Uniaxial Tensile Strain
（元素偏析与单轴拉伸耦合作用下Ni合金中的氦俘获机制）
文章信息: Jun Hui, Min Liu, Helium Trapping Mechanisms in Nickel Alloys under the Synergistic Effects of Elemental Segregation and Uniaxial Tensile Strain, 945 (2025) 149068. https://doi.org/10.1016/j.msea.2025.149068.
1. 简介
近期研究表明，在Ni合金中，传统合金元素Mo和Cr主要通过形成强键实现固溶强化，对He原子表现出明显的排斥效应，从而延缓He泡的长大；而稀土元素Y则通过形成弱键与低能势阱，对He具有显著吸引作用，可主动俘获He并有效抑制其在缺陷处聚集。
Graphical Abstract
2. 机理及其差异
模拟与辐照实验进一步证实，Mo/Cr提供结构稳定性和抗He侵入的“屏障”，Y则提供He的“捕获点”，两者机制互补。该成果揭示了Ni合金抗辐照性能提升的关键机理，并为设计兼具强度与抗氦损伤的新型结构材料提供了新思路。
本研究系统对比了传统合金元素（Mo、Cr）与稀土元素Y在Ni合金中调控He行为的差异机制。
作为典型固溶强化元素，Mo与Cr在Ni基体中形成强化的化学键，显著提高合金稳定性并对He产生排斥效应，从而延缓空位聚集和He泡长大。这类元素的机制本质是通过增强局域原子键合来“抵抗”He进入。
与Mo/Cr不同，Y在Ni中形成弱键和低能势阱，为He提供了吸附与俘获位置。Y对He具有显著吸引作用，能有效降低He在其他缺陷处的浓度，抑制He泡长大。更重要的是，拉伸模拟与辐照实验均表明，Y不仅缓解了He导致的强度与塑性劣化，还能降低He泡的平均尺寸，从而改善抗辐照性能。
Fig. 1. 合金元素与氦的化学势及键合行为
Fig. 2. 元素对He的吸引/排斥作用及其机制的结合能
Fig. 3. 低倍TEM图像，显示纯Ni 和含0.07 wt.% Y的Ni合金中的He气泡
表1. Ni合金中He气泡的尺寸和密度
3. 总结
i) Mo/Cr 通过“强键–排斥”机制：增强Ni基体键合，阻止He侵入。
ii)Y 通过“弱键–吸引”机制：引入低能陷阱，主动捕获He。
二者作用机理互补，结合使用可实现对He行为的协同调控。Mo/Cr提供结构稳定性和抗He进入的“屏障”，而Y则提供He的“捕获点”，两者机制不同但协同作用可显著提升Ni合金的抗He辐照能力。
4. 致谢
本研究得到广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515110168）的资助。
