CN104388764B - 一种高熵合金增强的铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合材料技术领域，公开了一种高熵合金增强的铝基复合材料及其制备方法。所述复合材料以高熵合金为增强相，以铝合金为基体，其制备方法为：将高熵合金颗粒和铝合金粉末装进球磨罐中并密封，混粉5～25h得到混合物料，将混合物料装进包套，在室温下施加压力为5～15MPa，把包套内的混合物料压实成坯料，将压实后的坯料放到热挤压设备中，预热坯料至400～480℃，预热模具至200～400℃，坯料及模具保温1～3h预热完成，然后在挤压压力为5～15MPa，挤压比为4～25的条件下热挤压成型，得到高熵合金增强的铝基复合材料。
Description
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种高熵合金增强的铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
颗粒增强铝基复合材料具有高比强度、高比模量、耐磨性及尺寸稳定好等优异的性能。作为一种新型的结构与功能材料，在航空航天、军工、电子、仪表仪器等领域具有广泛的应用前景。然而，由于颗粒增强铝基复合材料塑性和韧性较差，这限制了其在结构材料方面的应用。如何提高其塑性和韧性，一直是研究者追求的目标。
一直以来，关于颗粒增强铝基复合材料设计与制备工艺方面的研究较为深入，主要涉及增强相选择、增强相与基体合金界面设计及相应的制备工艺设计等方面。采用高强高硬的陶瓷颗粒增强铝合金是最常见的做法，如SiC颗粒、Al2O3颗粒和SiO2颗粒等，且获得了产业化。虽然陶瓷增强相可以极大提高铝合金基体的强度，但是会导致其韧性和塑性急剧降低。为了获得良好的综合性能(高强度、高塑性)，通常会限制陶瓷增强相的含量(陶瓷增强相的含量不会超过25％)。这又会带来另一方面的问题，即颗粒分布不均匀，容易形成团聚和裂纹源。在制备工艺方面，压铸工艺和压力浸渗工艺是复合材料成型过程中使用最广泛的。上述工艺中铝液温度较高，陶瓷增强相与铝合金基体界面反应严重，加之陶瓷增强相与铝合金的界面润湿性差，导致其界面结合强度低。为了提高二者之间的界面结合强度，一般需要对陶瓷增强相和金属基体进行改性处理，这进一步增加了制备过程的复杂性与成本。因此，合适的增强相材料与制备工艺成为决定颗粒增强型铝基复合材料强度和塑性的关键。
传统的合金体系均以一种或两种元素为主要组元，合金的晶体结构、性能等均受制于主要元素。上世纪90年代中期，中国台湾学者叶均蔚教授率先打破传统合金的设计理念，采用多种主要元素设计合金，即多主元高熵合金。由于其独特的显微结构特征，使得高熵合金具有高硬度、高强度、耐磨、耐腐蚀、高温热稳定以及特殊的磁、电性能等众多优异性能。源于金属-金属间天然的界面结合特性，高熵合金与铝合金基体间的界面润湿性与界面相容性好。若能采用高熵合金作为增强相来增强增韧铝合金，将突破传统陶瓷增强相增强与增韧的瓶颈，实现材料强度和塑性的同时提升。然而，迄今为止尚无采用高熵合金粉体增强相制备高强韧铝基复合材料的文献报道。
发明内容
为了解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种高熵合金增强的铝基复合材料。
本发明的另一目的在于提供上述铝基复合材料的制备方法。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种高熵合金增强的铝基复合材料，所述复合材料以高熵合金为增强相，以铝合金为基体。
所述的高熵合金的体积分数为5％～35％，铝合金的体积分数为65％～95％。
所述的高熵合金优选AlCrFeNiCoTi系、AlCrFeNiCoCu系或AlCrFeNiCo系高熵合金。
所述铝合金优选2xxx系、5xxx系、6xxx系、7xxx系铝合金或Al-Li合金。
上述高熵合金增强的铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)混粉：将高熵合金颗粒和铝合金粉末装进球磨罐中并密封，混粉5～25h得到混合物料；
(2)包套制坯：将混合物料装进包套，在室温下施加压力为5～15MPa，把包套内的混合物料压实成坯料；
(3)热挤压成型：将压实后的坯料放到热挤压设备中，预热坯料至400～480℃，预热模具至200～400℃，坯料及模具保温1～3h预热完成，然后在挤压压力为5～15MPa，挤压比为4～25的条件下热挤压成型，得到高熵合金增强的铝基复合材料。
步骤(3)中所述的挤压压力为10～15MPa，挤压比为16～25。
步骤(3)中所述的挤压压力为5～9MPa，挤压比为4～9。
本发明制备方法的原理为：金属基复合材料都是在基体合金熔点附近的高温下制备。在制备过程中，颗粒增强体与基体将发生不同程度的相互作用和界面反应，形成各种结构的界面。本发明涉及的复合材料制备工艺温度较低(低于固相线)，从而避免了不利界面化学反应的发生和脆性相的形成，加之复合材料中高熵合金增强相与铝合金基体可以形成原子半共格的物理结合型界面，在增强基体合金的同时，还可以获得较好的塑性和韧性。
本发明的材料及制备方法具有如下优点及有益效果：
(1)本发明的复合材料界面特征为：高熵合金粉末与铝合金基体可以形成物理结合型界面，界面结合强度高，界面状态好；
(2)本发明的制备工艺可以获得颗粒分布均匀、致密，高强度、高硬度和高延伸率的复合材料；
(3)本发明的制备工艺温度低，且高熵合金粉体表面不需要进行化学处理和清洗，工艺简单，成本低，稳定性好。
附图说明
图1为实施例1制备的10％高熵合金/7075Al的金相照片；
图2为实施例2制备的20％高熵合金/7075Al的金相照片；
图3为实施例1和实施例2制备的10％和20％高熵合金/7075Al的硬度值对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)混粉：增强相选用AlCrFeNiCoTi系高熵合金颗粒，成分为Al0.25CrFeNiCoTi0.75，平均粒径为30μm，体积分数为10％。本例中高熵合金颗粒采用机械合金化工艺制备，采用行星式球磨机进行机械合金化，转速≥250rpm，球磨时间为50小时，球料比为15:1。铝合金基体选用7xxx系合金中的7075Al，其体积分数为90％；用电子天平称量出相应重量的高熵合金颗粒和铝合金粉末，将其装进球磨罐中并密封，随后用普通干混方法混粉10h；
(2)包套制坯：将混粉完成后的Al0.25CrFeNiCoTi0.75高熵合金颗粒和7075Al粉末装进铝合金包套，在室温下用快速油压机把包套内的粉末压实成坯料，施加压力为12MPa，使包套内部填满粉末并进行密封包装；
(3)热挤压成型：将耐热钢挤压嘴和装有坯料的铝合金包套放进电阻炉中预热至470℃，模具预热至350℃，保温3h，预热完成后，把挤压嘴放置于模具内部，接着把铝合金包套放置于挤压嘴上部，随后合模加压进行热挤压成型，挤压参数为：挤压压力为12MPa，挤压比为16，热挤压完成后，截取棒料并整形，获得高熵合金增强的铝基复合材料。
本实施例的高熵合金增强的铝基复合材料的金相照片如图1所示，可以看出，10％颗粒增强铝基复合材料中高熵合金颗粒分布均匀、致密，没有出现颗粒团聚现象。经过室温单向拉伸试验测试，本实施例的高熵合金增强的铝基复合材料的极限抗拉强度值为345MPa，延伸率为5.4％，硬度测试结果如图3所示。
实施例2
(1)混粉：增强相选用AlCrFeNiCoTi系高熵合金颗粒，高熵合金的具体成分为Al0.25CrFeNiCoTi0.75，平均粒径为30μm，体积分数为20％。本例中高熵合金颗粒采用机械合金化工艺制备，采用行星式球磨机进行机械合金化，转速≥250rpm，球磨时间为50小时，球料比为15:1。铝合金基体选用7xxx系合金中的7075Al，其体积分数为80％；用电子天平称量出相应重量的高熵合金颗粒和铝合金粉末，将其装进球磨罐中并密封，随后用普通干混方法混粉15h；
(2)包套制坯：将混粉完成后的Al0.25CrFeNiCoTi0.75高熵合金颗粒和7075Al粉末装进铝合金包套，在室温下用快速油压机把包套内的粉末压实成坯料，施加压力为14MPa，使包套内部填满粉末并进行密封包装；
(3)热挤压成型：将耐热钢挤压嘴和装有坯料的铝合金包套放进电阻炉中预热至480℃，模具预热至380℃，保温3h，预热完成后，把挤压嘴放置于模具内部，接着把铝合金包套放置于挤压嘴上部，随后合模加压进行热挤压成型，挤压参数为：挤压压力为14MPa，挤压比为25，热挤压完成后，截取棒料并整形，获得高熵合金增强的铝基复合材料。
本实施例的高熵合金增强的铝基复合材料的金相照片如图2所示，可以看出，20％颗粒增强铝基复合材料中高熵合金颗粒分布均匀、致密，没有出现颗粒团聚现象。经过室温单向拉伸试验测试，本实施例的高熵合金增强的铝基复合材料的极限抗拉强度值为387MPa，延伸率为3.6％，其硬度值如图3所示。
实施例3
(1)混粉：增强相选用AlCrFeNiCoTi系高熵合金颗粒，高熵合金的具体成分为Al0.5CrFeNiCoTi0.5，平均粒径为30μm，体积分数为25％。本例中高熵合金颗粒采用机械合金化工艺制备，采用行星式球磨机进行机械合金化，转速≥250rpm，球磨时间为50小时，球料比为15:1。铝合金基体选用6xxx系合金中的6061Al，其体积分数为75％；用电子天平称量出相应重量的高熵合金颗粒和铝合金粉末，将其装进球磨罐中并密封，随后用普通干混方法混粉12h；
(2)包套制坯：将混粉完成后的Al0.5CrFeNiCoTi0.5高熵合金颗粒和6061Al粉末装进铝合金包套，在室温下用快速油压机把包套内的粉末压实成坯料，施加压力为10MPa，使包套内部填满粉末并进行密封包装；
(3)热挤压成型：将耐热钢挤压嘴和装有坯料的铝合金包套放进电阻炉中预热至450℃，模具预热至300℃，保温2h，预热完成后，把挤压嘴放置于模具内部，接着把铝合金包套放置于挤压嘴上部，随后合模加压进行热挤压成型，挤压参数为：挤压压力为9MPa，挤压比为9，热挤压完成后，截取棒料并整形，获得高熵合金增强的铝基复合材料。经过室温单向拉伸试验测试，本实施例的高熵合金增强的铝基复合材料的极限抗拉强度值为415MPa，延伸率为3.3％，其布氏硬度值为160HB。
实施例4
(1)混粉：增强相选用AlCrFeNiCoCu系高熵合金颗粒，高熵合金的具体成分为Al0.5CrFeNiCoCu0.5，平均粒径为30μm，体积分数为5％。本例中高熵合金颗粒采用机械合金化工艺制备，采用行星式球磨机进行机械合金化，转速≥250rpm，球磨时间为50小时，球料比为15:1。铝合金基体选用2xxx系合金中的2024Al，其体积分数为95％；用电子天平称量出相应重量的高熵合金颗粒和铝合金粉末，将其装进球磨罐中并密封，随后用普通干混方法混粉5h；
(2)包套制坯：将混粉完成后的Al0.5CrFeNiCoCu0.5高熵合金颗粒和2024Al粉末装进铝合金包套，在室温下用快速油压机把包套内的粉末压实成坯料，施加压力为5MPa，使包套内部填满粉末并进行密封包装；
(3)热挤压成型：将耐热钢挤压嘴和装有坯料的铝合金包套放进电阻炉中预热至400℃，模具预热至200℃，保温3h。预热完成后，把挤压嘴放置于模具内部，接着把铝合金包套放置于挤压嘴上部，随后合模加压进行热挤压成型，挤压参数为：挤压压力为13MPa，挤压比为4，热挤压完成后，截取棒料并整形，获得高熵合金增强的铝基复合材料。经过室温单向拉伸试验测试，本实施例的高熵合金增强的铝基复合材料的极限抗拉强度值为311MPa，延伸率为7.3％，其布氏硬度值为122HB。
实施例5
(1)混粉：增强相选用AlCrFeNiCoCu系高熵合金颗粒，高熵合金的具体成分为Al0.25CrFeNiCoCu0.75，平均粒径为30μm，体积分数为15％。本例中高熵合金颗粒采用机械合金化工艺制备，采用行星式球磨机进行机械合金化，转速≥250rpm，球磨时间为50小时，球料比为15:1。铝合金基体选用Al-Li合金，其体积分数为95％；用电子天平称量出相应重量的高熵合金颗粒和铝合金粉末，将其装进球磨罐中并密封，随后用普通干混方法混粉15h；
(2)包套制坯：将混粉完成后的Al0.25CrFeNiCoCu0.75高熵合金颗粒和Al-Li合金粉末装进铝合金包套，在室温下用快速油压机把包套内的粉末压实成坯料，施加压力为15MPa，使包套内部填满粉末并进行密封包装；
(3)热挤压成型：将耐热钢挤压嘴和装有坯料的铝合金包套放进电阻炉中预热至480℃，模具预热至400℃，保温3h。预热完成后，把挤压嘴放置于模具内部，接着把铝合金包套放置于挤压嘴上部，随后合模加压进行热挤压成型，挤压参数为：挤压压力为15MPa，挤压比为25，热挤压完成后，截取棒料并整形，获得高熵合金增强的铝基复合材料。经过室温单向拉伸试验测试，本实施例的高熵合金增强的铝基复合材料的极限抗拉强度值为331MPa，延伸率为5.8％，其布氏硬度值为139HB。
实施例6
(1)混粉：增强相选用AlCrFeNiCo系高熵合金颗粒，高熵合金的具体成分为Al0.5Cr0.5FeNiCo，平均粒径为30μm，体积分数为35％。本例中高熵合金颗粒采用机械合金化工艺制备，采用行星式球磨机进行机械合金化，转速≥250rpm，球磨时间为50小时，球料比为15:1。铝合金基体选用5xxx系合金中的5A06Al，其体积分数为65％；用电子天平称量出相应重量的高熵合金颗粒和铝合金粉末，将其装进球磨罐中并密封，随后用普通干混方法混粉10h；
(2)包套制坯：将混粉完成后的Al0.5Cr0.5FeNiCo高熵合金颗粒和Al-Li合金粉末装进铝合金包套，在室温下用快速油压机把包套内的粉末压实成坯料，施加压力为8MPa，使包套内部填满粉末并进行密封包装；
(3)热挤压成型：将耐热钢挤压嘴和装有坯料的铝合金包套放进电阻炉中预热至420℃，模具预热至250℃，保温1.5h。预热完成后，把挤压嘴放置于模具内部，接着把铝合金包套放置于挤压嘴上部，随后合模加压进行热挤压成型，挤压参数为：挤压压力为7MPa，挤压比为9，热挤压完成后，截取棒料并整形，获得高熵合金增强的铝基复合材料。经过室温单向拉伸试验测试，本实施例的高熵合金增强的铝基复合材料的极限抗拉强度值为475MPa，延伸率为2.7％，其布氏硬度值为178HB。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高熵合金增强的铝基复合材料，其特征在于：所述复合材料以高熵合金为增强相，以铝合金为基体；所述的高熵合金的体积分数为5％～35％，铝合金的体积分数为65％～95％；所述的高熵合金是指AlCrFeNiCoTi系、AlCrFeNiCoCu系高熵合金或Al0.5Cr0.5FeNiCo高熵合金。
2.根据权利要求1所述的一种高熵合金增强的铝基复合材料，其特征在于：所述铝合金是指2xxx系、5xxx系、6xxx系、7xxx系铝合金或Al-Li合金。
3.权利要求1或2所述的一种高熵合金增强的铝基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)混粉：将高熵合金颗粒和铝合金粉末装进球磨罐中并密封，混粉5～25h得到混合物料；
(2)包套制坯：将混合物料装进包套，在室温下施加压力为5～15MPa，把包套内的混合物料压实成坯料；
(3)热挤压成型：将压实后的坯料放到热挤压设备中，预热坯料至400～480℃，预热模具至200～400℃，坯料及模具保温1～3h预热完成，然后在挤压压力为5～15MPa，挤压比为4～25的条件下热挤压成型，得到高熵合金增强的铝基复合材料。
4.根据权利要求3所述的一种高熵合金增强的铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的挤压压力为10～15MPa，挤压比为16～25。
5.根据权利要求3所述的一种高熵合金增强的铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的挤压压力为5～9MPa，挤压比为4～9。
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| CN104388764A (zh) | 2015-03-04 |
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