導讀：本文報告了一種異常的堆垛層錯介導的等原子FeNiCoCr高熵合金（HEA）變形，通過引入高壓約2.5-4.7GPa的氦納米泡。高壓氦納米氣泡不僅可以通過其作為位錯障礙來提高強度，而且可以通過促進交織堆疊層錯的繁殖和相互作用來增強應變硬化能力并提供可觀的可塑性。該結果為通過引入高壓氦納米氣泡來調節HEA的變形機制提供了一種新穎的設計策略。

調控晶體缺陷和變形機制一直是開發高性能合金的關鍵。在冶金學中，通過熱機械加工和熱處理可以產生或減少諸如位錯、晶界和相界之類的晶體缺陷，而變形機制包括位錯滑移，孿晶和相變，可以通過調整合金成分來累積故障能量來設計。然而，這種傳統的概念在微/納米尺度的元件和器件中很難實現，因為精確和有針對性的合金化和小體積材料的加工更具挑戰性。離子注入是調節微/納米尺度材料力學性能的另一種選擇，它可以可控地引入點缺陷，例如雜質原子、間隙和空位。在許多可注入離子中，氦離子特別獨特，因為不溶性氦原子可以自發地沉淀成固體中的氦納米氣泡（HNB）。此外，氦原子很容易被位錯，晶界和沉淀物之類的沉陷俘獲。因此，自生長的HNB可能有選擇地調制合金中預先存在的缺陷。最重要的是，HNB內部的氦氣壓力與其大小有關。實驗表明，壓力小于1 GPa的5-10 nm HNB可以產生多孔狀納米結構，從而增強小體積形狀記憶合金的超彈性并提高亞微米級銅的延展性。當將HNB的尺寸進一步減小到1-3 nm時，氦氣壓力可以很容易地增加到千兆帕斯卡水平，使其與傳統的納米空隙明顯不同，并且將大大改變金屬材料的機械響應。但是，到目前為止，通過直接測量在高壓HNB（HPHNB）內部的混凝土氦氣壓力仍然受到限制。還不清楚HPHNB是否可以改變變形機理以及它們如何影響金屬材料的機械性能。

為了解決這些基本問題，本文選擇了面心立方（fcc）高熵合金（HEA），因為它具有很強的抗氣泡形成性，即HPHNBs的生長受到抑制和與純金屬相比提高的輻射耐受性。fcc HEA的緩慢氦擴散特性為氦離子注入制備HPHNB提供了廣闊的工藝窗口。此外，FCC HEA與具有小的尺寸廣泛的機械和功能性應用，包括機械超材料[ 29，30]，催化劑和軟磁體。此外，我們設想將自生長的HPHNBs引入fcc HEA會產生內部應力波動，除了源于化學短程級和局部原子應變的波動外，還可以定制納米級缺陷結構和變形行為。因此，除了通過冶金學方法通過調整相亞穩定性，第二相納米顆粒和濃度波動之外，該策略可能會增加新的維度來增強fcc HEA的強度-延性協同作用。

在這里，香港城市大學聯合日本大阪大學、京都大學、南方科技大學通過可控氦離子注入成功地在FeNiCoCr HEA中制備了亞4 nm的HPHNBs，FeNiCoCr HEA是fcc HEA的原型合金 。通過低壓單色電子能量損失譜儀（EELS）定量測量各個HPHNB內部的氦氣密度和壓力。使用原位透射電子顯微鏡（TEM）納米力學測試，我們發現HPHNBs可以在FeNiCoCr HEA中產生堆垛層錯介導的變形，這與在無HPHNB的同行和大量樣品中觀察到的完全位錯滑移和/或變形孿生相反 。結果表明，HPHNBs不僅可以通過作為位錯障礙來提高強度，而且可以通過促進交織堆疊斷層的增殖和相互作用而達到兩階段的硬化機制。相關研究成果以題“Highly pressurized helium nanobubbles promote stacking-fault-mediated deformation in FeNiCoCr high-entropy alloy”發表在金屬頂刊《Acta Materialia》上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116843

使用低壓單色EELS分析，作者定量測量了HPHNB內部的氦氣密度（84-103 nm -3）和室溫氦氣壓力（2.5-4.7 GPa）。HPHNBs內的氦氣壓力比普通合金中的HNBs高得多，這可以歸因于FeNiCoCr HEA的氦氣擴散緩慢。通過原位系統研究了HPHNB-HEA的變形行為和力學性能。與原始的FeNiCoCr HEA納米柱相比，HPHNB-HEA納米柱的屈服強度顯著提高了約50％，而塑性幾乎沒有降低。我們證明，HPHNBs可以作為在小體積FeNiCoCr HEA中產生堆垛層錯介導的變形的來源，而在傳統的熱機械加工過程中，其變形行為在本質上是無法與之匹敵的。這種獨特的形變行為，即HPHNB介導的形變，可能與HPHNB內部的高氦氣壓力有關，從而降低了原子位NEB計算所揭示的部分位錯形核的活化自由能。

圖1。氦離子注入前FeNiCoCr HEA的微觀結構。（a）X射線衍射圖表明均質化的FeNiCoCr HEA具有單相fcc晶體結構。（b）顯示FeNiCoCr HEA的晶粒結構的掃描電子顯微鏡圖像。（c）預測氦氣濃度和輻照損傷隨深度的變化。

圖2。氦離子注入引起的納米級缺陷。（a）原始FeNiCoCr HEA中的位錯結構。（b）HPHNB-HEA中的位錯結構。（c）菲涅耳對比度的TEM圖像顯示了在聚焦不足（-400 nm）和聚焦過度（+400 nm）條件下HPHNB的高密度。（d）HPHNB-HEA中的HPHNB尺寸分布。（e）純鎳中的HNB受到相同的注入條件。

圖3。STEM-EELS測量。（a）HPHNB-HEA的HAADF成像。（b）從HPHNB和（a）中指示的相鄰矩陣獲得的低損耗EELS光譜。（c）在植入溫度下，HPHNB內部的氦氣密度和壓力是反半徑的函數。橙色虛線表示在773 K下氦氣壓力的模型預測。

圖4。用于原位拉伸實驗的推拉式設備。

圖5。在U-HEA和HPHNB-HEA上進行原位TEM拉伸測試。（a）連續的弱光束暗場（WBDF）或明場（BF）TEM圖像顯示了孿晶介導的U-HEA變形。一些變形雙胞胎用白色箭頭標記。（b）連續對焦不足的BF和WBDF TEM圖像顯示了HPHNB-HEA的堆垛層錯介導的變形。一些主要和次要變形疊加斷層（SFs）分別用藍色和黃色箭頭標記。衍射矢量g =

圖6。從原位拉伸實驗中提取的TEM圖像顯示了（a）U-HEA和（b）HPHNB-HEA斷裂前的最大應變。

圖7。HPHNB-HEA變形機制的HRTEM表征。（a）軸外HRTEM圖像，顯示了在應變較輕的HPHNB-HEA中從HPHNB發出的堆垛層錯（SF）。區域軸（ZA）從[011]傾斜幾度。插圖：從白方塊區域拍攝的快速傅立葉變換圖像。（b）變形后微結構的HRTEM圖像，顯示了高密度的SF，納米孿晶和Lomer-Cottrell（LC）鎖。

圖9。U-HEA和HPHNB-HEA納米柱的原位TEM壓縮測試。（a）U-HEA和（b）HPHNB-HEA納米柱在壓縮下的連續明場TEM圖像。（c）U-HEA和HPHNB-HEA納米柱的壓縮工程應力-應變曲線。

總的來說，這項工作提供了一種通過引入納米級缺陷結構即HPHNB來調整FeNiCoCr HEA力學性能的新穎策略。我們相信，引入HPHNB有助于為能源和機電應用開發機械可靠的微米/納米級fcc HEA。