近期，西南交通大学材料科学与工程学院徐轶教授（通讯作者）、硕士研究生张强（第一作者）等在《Materials Science & Engineering A》（2025, 948: 149334）发表研究成果，通过精准调节Co含量与热处理工艺，协调FeMnCrCo 高熵合金的多种阻尼机制，为高性能减振材料设计提供新范式。研究聚焦 Fe₆₅₋ₓMn₂₀Cr₁₅Coₓ（x=5、10、15、20、25、30 at.%）合金体系，揭示堆垛层错能（SFE）与晶格畸变对阻尼-力学性能的调控规律。

一、核心痛点

工业化进程中，航空航天、交通运输领域对宽温域、多频率下的高性能减振材料需求迫切，但传统阻尼合金存在显著局限：

1.机制单一：依赖位错、孪晶或相变等单一阻尼机制，复杂环境（如宽温、变频率）下性能不稳定；

2.协同难题：FeMnCrCo 高熵合金虽兼具位错滑移、孪晶效应、相变阻尼、堆垛层错运动等多机制，但各机制难以协同，且 SFE 与晶格畸变对阻尼性能的耦合调控规律不明确；

3.性能矛盾：传统工艺难以平衡阻尼性能与力学性能（如高强度常伴随低阻尼，高阻尼易导致塑性下降）。

二、关键创新

团队采用 “成分设计 + 热处理” 双调控策略，系统探究 Co 含量与工艺对合金微观结构、阻尼机制的影响，核心发现如下：

核心发现 1：Co 含量是 SFE 与晶格畸变的 “调控开关”

Co 含量直接决定合金相组成、缺陷分布与阻尼源数量：

相结构调控：随 Co 含量增加，FCC 相比例从 Co5 的 34% 升至 Co30 的 85%，HCP 相（ε- 马氏体）相应减少；Co20 合金（Fe₄₅Mn₂₀Cr₁₅Co₂₀）形成 FCC/HCP 双相平衡，且晶粒尺寸最小、小角度晶界比例最高（20.4%），为位错运动与能量耗散提供充足通道；

图2.铸态高熵合金的EBSD相图（a）–（f）：Co5–Co30。（g）铸态高熵合金的FCC相体积分数、小/大角度晶界、平均晶粒尺寸以及孪晶含量（插图为小/大角度晶界含量）与Co摩尔比的关系图。

SFE与晶格畸变协同：低 Co 含量（x≤15）时，晶格畸变度高（Co15 晶格畸变最大）、SFE 低，易形成堆垛层错与 ε- 马氏体；高 Co 含量（x≥20）时，SFE 升高、晶格畸变减弱，FCC 相稳定性增强；Co20 实现 “低 SFE + 适中晶格畸变” 平衡，既促进堆垛层错 / 孪晶形成，又减少位错运动阻力。

图12.不同高熵合金中储存模量（a）、不同温度阻尼峰的值（b）、变振幅和变频率下的室温阻尼峰（c），以及层错能/晶格畸变（d）的变化趋势。

核心发现 2：热处理优化阻尼源移动性，解锁多场景阻尼性能

通过 “1200℃均匀化（2h）+ 水淬” 工艺，实现微观结构与阻尼性能的精准调控：

缺陷调控：淬火后合金晶格缺陷（如杂乱 α 相、内应力）减少，但 SFE 升高导致堆垛层错密度降低（P3 阻尼峰减弱）；

图11.淬火态Co5、Co20以及铸态Co20高熵合金的TEM明场像，展示了堆垛层错与位错结构的变化。

阻尼机制适配：

·室温振幅阻尼：符合 Granato-Lücke 位错阻尼模型 —— 低应变时，位错在强弱钉扎点间往复运动耗能；高应变时，位错逃脱弱钉扎点，阻尼值显著提升（Co20 在接近100μm 振幅下 Q⁻¹ 达 0.0458）；

·频率阻尼：0.1~100Hz 范围内，阻尼值先降后升 —— 低频段（≤10Hz）以位错 / 晶界滑移为主，高频段（≥100Hz）ε- 马氏体堆垛层错成为主要阻尼源（Co5 高频 Q⁻¹ 达 0.0405）；

·温度阻尼：-140~300℃出现三个特征峰 ——P1（~30℃，位错在强钉扎点间自由运动）、P2（200℃，ε→γ 逆相变 + 相界迁移）、P3（120℃，HCP 相堆垛层错激活）。

图4.铸态Fe₄₅Mn₂₀Cr₁₅Co₂₀合金的TEM图像：（a）、（c）和（d）为铸态Co20高熵合金的明场像。（a₂）和（a₃）为（a₁）中选定区域的选区电子衍射花样。（b）为（a₁）中高分辨透射电镜图像，展示了HCP相中的堆垛层错。（c）和（d）展示了堆垛层错的分布。（e）为高分辨透射电镜图像，展示了FCC相中的堆垛层错。

图10.升温过程阻尼机制的示意图。

三、性能突破

1.阻尼性能：宽条件下表现优异

室温最优合金：铸态Co20 合金在振幅（0.5~100μm）、频率（0.1~100Hz）范围内阻尼性能最佳，且阻尼稳定性优于其他成分，淬火后Q⁻¹ 最高达 0.0458；

图6. (a) 铸态与 (c) 淬火态高熵合金在固定温度T=25°C和频率f=1 Hz条件下的应变-振幅阻尼图。(b) 铸态与(d) 淬火态高熵合金的内耗峰Q⁻¹柱状图。

图7. (a) 铸态与 (c) 淬火态高熵合金在固定温度T=25°C、振幅=40 μm条件下的频率-阻尼关系图。(b) 铸态与 (d) 淬火态高熵合金的内耗峰Q⁻¹柱状图。

温度适应性：铸态 Co5 合金在 - 140~140℃温域内阻尼峰显著，P3 峰（120℃）Q⁻¹ 达 0.08，适用于中低温减振场景；

工艺优化效果：淬火后特定合金室温阻尼性能提升（如 Co30 淬火后 Q⁻¹ 明显提升）。

图8. (a)、(b) 铸态与 (c)、(d)淬火态高熵合金在固定频率f=1 Hz、振幅=40 μm条件下的温度-阻尼关系图。

2.力学性能：强塑平衡可控

强度与塑性调控：铸态 Co15 合金抗拉强度最高（805MPa），Co20 合金强度虽降至 504MPa，但延伸率提升至 21.6%，实现 “中强高塑” 平衡；

热处理改善：淬火后 Co20 合金缺陷密度饱和，力学性能提升（抗拉强度升至 548MPa，延伸率保持 19.4%），避免 “阻尼提升导致塑性下降” 的矛盾。

图5.铸态 (a) 与淬火态 (c) 高熵合金的拉伸应力-应变曲线。铸态(b) 与淬火态 (d) 高熵合金的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率及强塑积。

四、研究价值

该研究的核心创新在于建立 “成分 - 工艺 - 微观结构 - 阻尼性能” 的定量关联，具备三大优势：

·1.成分设计简洁：仅通过调节 Co 含量（无需多元素复杂配比），即可实现 SFE 与晶格畸变的精准调控，降低工业化生产成本；

·2.工艺兼容性强：适配真空电弧熔炼、均匀化淬火、冷轧等常规工艺，无需特殊设备，易规模化生产；

·3.性能可定制：根据需求选择成分与工艺 —— 低 Co（x=5~10）适配中低温高频减振，中 Co（x=20）适配室温宽振幅场景，高 Co（x=25~30）适配高强度 - 阻尼平衡需求。

此外，研究首次明确 “低 SFE + 适中晶格畸变” 是多阻尼机制协同的关键，为高熵阻尼合金设计提供普适性策略：通过调控缺陷（位错、堆垛层错）与相界（FCC/HCP）数量，可实现阻尼性能与力学性能的协同优化。

五、应用前景

FeMnCrCo 高熵合金的优异阻尼性能使其在多领域具备应用潜力：

·发动机部件：利用 P2 峰（~200℃）的高温阻尼特性，适配发动机舱减振；

·精密仪器：Co20 合金的室温宽频率阻尼稳定性，可用于精密仪器抗干扰；

·建筑 / 交通减振：宽温域（-140~300℃）阻尼能力，适配极端温度地区的桥梁、高铁轨道减振。

未来团队将进一步优化Co和Mn等元素比例，结合热处理工艺，实现微观结构精准设计，推动高熵阻尼合金的产业化应用。