CN108045023A - 金属间化合物复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属间化合物复合材料，由第一高熵合金板、中间层与第二高熵合金板复合而成，所述中间层为单质板或交替叠放的高熵合金板与单质板；本申请还提供了一种金属间化合物复合材料，由高熵合金板、中间层与单质板复合而成，或，由高熵合金板与单质板复合而成；所述中间层为交替叠放的高熵合金板与单质板，本申请还提供了上述金属间化合物复合材料的制备方法。本申请提供的金属间化合物复合材料是一种具有优异抗高速冲击韧性的高熵合金/金属间化合物层叠板复合材料。

Description

金属间化合物复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及新型复合材料技术领域，尤其涉及一种金属间化合物复合材料及其制备方法。

背景技术

在前期，坦克的防护装置主要使用装甲钢，但是由于其密度大、质量重，严重影响了坦克的机动能力；随后凯拉夫等研发出一种芳纶纤维复合材料，这种叠层复合板相比装甲钢韧性提高两倍，能承受多次反复撞击，但其易老化，使得防护能力下降；此外，Wikins等发现陶瓷的高硬度、低密度非常适合作装甲材料，但此材料脆性大，被弹体击中后易破碎，无法承受多次打击。因此，开发出更轻、防弹能力更好的装甲材料对防弹衣、坦克、直升机等军事装置的性能提升具有重要意义。

2004年以来，高熵合金具有韧性好、抗氧化、抗腐蚀、高的高温强度以及高的低温强度等优异性能被许多学者所发现，如CoCrFeMnNi合金在293K、200K、77K温度下断裂韧性分别为217MPa·m1/2、221MPa·m1/2、219MPa·m1/2，如此高的断裂韧性更是超过了所有的纯金属和金属合金。

来源于自然界中贝壳的灵感，具有金属间化合物的叠层复合材料受到研究者的大量关注，金属间化合物具有低密度、高熔点、高硬度以及高刚度等一系列优点。研究发现，平常大家所认为的极大降低金属韧性的金属间化合物如果合理利用于装甲材料，可以取得很好的防护效果。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种具有高温稳定性能的金属间化合物复合材料。

有鉴于此，本申请提供了一种金属间化合物复合材料，由第一高熵合金板、中间层与第二高熵合金板复合而成，所述中间层为单质板或交替叠放的高熵合金板与单质板；所述复合的方式为热压复合或热轧复合；所述第一高熵合金板为CoCrFeNi合金板或CoCrFeMnNi合金板，所述第二高熵合金板为CoCrFeNi合金板或CoCrFeMnNi合金板，所述单质板选自Mo板、Ti板、Nb板、Al板和Mg板中的一种或多种。

本申请还提供了一种金属间化合物复合材料，由高熵合金板、中间层与单质板复合而成，或，由高熵合金板与单质板复合而成；所述中间层为交替叠放的高熵合金板与单质板，所述复合的方式为热压复合或热轧复合；所述高熵合金板为CoCrFeNi合金板或CoCrFeMnNi合金板，所述单质板选自Mo板、Ti板、Nb板、Al板和Mg板中的一种或多种。

优选的，所述单质板的厚度为100μm～2mm。

优选的，所述高熵合金板的厚度为0.1mm～1mm。

优选的，所述金属间化合物复合材料由第一高熵合金板、第一单质板、第三高熵合金板、第二单质板与第二高熵合金板热压复合而成。

优选的，所述金属间化合物复合材料由第一高熵合金板、第一单质板、第二单质板与第二高熵合金板热压复合而成。

优选的，所述金属间化合物复合材料由高熵合金板、第一单质板、第一高熵合金板与单质板热压复合而成。

优选的，所述金属间化合物复合材料由高熵合金板、第一单质板、第二单质板、第一高熵合金板、第二高熵合金板与单质板热压复合而成。

本申请还提供了所述的金属间化合物复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将第一高熵合金板、中间层与第二高熵合金板叠加放置，得到层叠板；

将所述层叠板复合后冷却，得到金属间化合物复合材料；所述复合的方式为热压复合或热轧复合；

所述中间层为单质板或交替叠放的高熵合金板与单质板；

所述第一高熵合金板为CoCrFeNi合金板或CoCrFeMnNi合金板，

所述第二高熵合金板为CoCrFeNi合金板或CoCrFeMnNi合金板，

所述单质板选自Mo板、Ti板、Nb板、Al板和Mg板中的一种或多种。

本申请还提供了所述的金属间化合物复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将高熵合金板、中间层与单质板叠加放置，得到层叠板；

或，将高熵合金板与单质板叠加放置，得到层叠板；

将所述层叠板复合后冷却，得到金属间化合物复合材料；所述复合的方式为热压复合或热轧复合；

所述高熵合金板为CoCrFeNi合金板或CoCrFeMnNi合金板，

所述单质板选自Mo板、Ti板、Nb板、Al板和Mg板中的一种或多种。

本申请提供了一种金属间化合物复合材料，其由第一高熵合金板、中间层与第二高熵合金板复合而成，其中中间层为单质板或交替叠放的高熵合金板与单质板；本申请还提供了一种金属间化合物复合材料，其由高熵合金板、中间层与单质板复合而成，其中中间层为交替叠放的高熵合金板与单质板，或由高熵合金板与单质板复合而成。本申请提供的金属间化合物复合材料实现了单质板的固固扩散反应，与高熵合金板生成金属间化合物层，将高熵合金内具有的高韧性与高强度与金属间化合物的高硬度和高耐磨性结合起来，制备出了高温稳定性好的、具有更好冲击性能的金属间化合物复合材料。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的金属间化合物复合材料的SEM照片。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

为了满足装甲材料的需要，本发明公开了一种固/固扩散制备的抗高速冲击的高熵合金/金属间化合物层叠复合材料，该层叠复合材料具有高温稳定性，是一种强、韧配合的抗冲击复合材料。具体的，本申请提供了一种金属间化合物复合材料，由第一高熵合金板、中间层与第二高熵合金板复合而成，所述复合的方式为热压复合或热轧复合；所述中间层为单质板或交替叠放的高熵合金板与单质板；所述第一高熵合金板为CoCrFeNi合金板或CoCrFeMnNi合金板，所述第二高熵合金板为CoCrFeNi合金板或CoCrFeMnNi合金板，所述单质板选自Mo板、Ti板、Nb板、Al板和Mg板中的一种或多种。

在该种金属间化合物复合材料中，所述金属间化合物复合材料中的第一高熵合金板可以相同也可以不同，对此本申请没有特别的限制。该种金属间化合物复合材料由第一高熵合金板、中间层与第二高熵合金板热压复合而成，其中中间层为单质板或交替叠放的高熵合金板与单质板，本申请中，所述交替叠放的高熵合金板与单质板可以理解为一种高熵合金板与一种单质板交替叠放，也可以理解为多种高熵合金板放置后再与多种单质板交替放置。具体的，所述金属间化合物复合材料可以为高熵合金板1/单质板1/高熵合金板1、高熵合金板1/单质板1/单质板2/高熵合金板1、高熵合金板1/单质板1/单质板2/高熵合金板2、高熵合金板1/单质板1/高熵合金板2/单质板2/高熵合金板2等等诸如上述形式的复合材料，本申请对上述叠放于高熵合金板与高熵合金板之间的高熵合金板和/或单质板的叠加层数没有特别的限制，可根据需要进行叠加。在本申请中，所述高熵合金板1与高熵合金板2可以相同也可以不同，所述单质板1与所述单质板2可以相同也可以不同，对此本申请不进行特别的限制。

本申请还提供了一种金属间化合物复合材料，其由高熵合金板、中间层与单质板复合而成，或，由高熵合金板与单质板复合而成；所述中间层为交替叠放的高熵合金板与单质板，所述复合的方式为热压复合或热轧复合；所述高熵合金板为CoCrFeNi合金板或CoCrFeMnNi合金板，所述单质板选自Mo板、Ti板、Nb板、Al板和Mg板中的一种或多种。

在该种金属间化合物复合材料中，最简单的复合材料仅由高熵合金板与单质板复合而成；对于由高熵合金板、中间层与单质板热压复合而成的金属间化合物复合材料，其中设置的中间层为交替叠放的高熵合金板与单质板，其中交替叠放的高熵合金板与单质板可以按照高熵合金板与单质板依次交替的方式进行，也可以按照多种高熵合金板叠置后再放置多种单质板。具体为：高熵合金板1/单质板1/高熵合金板2/单质板2、高熵合金板1/高熵合金板2/单质板1/单质板2、高熵合金板1/高熵合金板2/单质板1、高熵合金板1/高熵合金板2/高熵合金板3/单质板1等等诸如此种方式设置；上述每种复合材料中高熵合金板1、高熵合金板2与高熵合金板3可以相同也可以不同，单质板1与单质板2可以相同也可以不同，对此本申请没有特别的限制。

本申请中高熵合金板具体为CoCrFeNi合金板或CoCrFeMnNi合金板，上述两种高熵合金板的来源本申请没有特别的限制，可以按照本领域技术人员熟知的方式制备得到，也可以为市售产品。所述单质板具体选自Mo板、Ti板、Nb板、Al板和Mg板中的一种或多种，其来源本申请没有特别的限制，可以按照本领域熟知的方式制备得到，也可以为市售产品。

本申请所述金属间化合物复合材料，单质板的厚度为100μm～2mm，所述高熵合金板的厚度为0.1mm～1mm；在具体实施例中，所述高熵合金板的厚度为1～2mm所述单质板的厚度为0.5mm～1mm。

本申请还提供了所述金属间化合物复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将第一高熵合金板、中间层与第二高熵合金板叠加放置，得到层叠板；

将所述层叠板复合后冷却，得到金属间化合物复合材料；所述复合的方式为热压复合或热轧复合；

所述中间层为单质板或交替叠放的高熵合金板与单质板；

所述第一高熵合金板为CoCrFeNi合金板或CoCrFeMnNi合金板，

所述第二高熵合金板为CoCrFeNi合金板或CoCrFeMnNi合金板，

所述单质板选自Mo板、Ti板、Nb板、Al板和Mg板中的一种或多种。

本申请还提供了一种金属间化合物复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将高熵合金板、中间层与单质板叠加放置，得到层叠板；

或，将高熵合金板与单质板叠加放置，得到层叠板；

将所述层叠板复合后冷却，得到金属间化合物复合材料；所述复合的方式为热压复合或热轧复合；

所述高熵合金板为CoCrFeNi合金板或CoCrFeMnNi合金板，

所述单质板选自Mo板、Ti板、Nb板、Al板和Mg板中的一种或多种。

关于金属间化合物复合材料的制备，首先将高熵合金板、中间层与单质板按照顺序叠加放置后，则将其复合；所述高熵合金板的制备方案按照本领域技术人员熟知的方式制备，具体为：高熵合金在真空中感应熔炼炉中熔炼得到铸锭，再取一定尺寸的铸锭，依次经过冷轧-退火-打磨-抛光-清洗，即得到用于制备金属间化合物复合材料的高熵合金板；所述单质板同样按照本领域熟知的方式制备，具体为：将一定厚度的高纯单质板依次经过打磨-抛光-清洗，即得到用于制备金属间化合物复合材料的单质板。

本申请所述复合可采用热压复合或热轧复合的方式，具体的，所述热压复合优选在氩气保护气氛下进行以避免引入额外杂质，通过压力机加压在一定温度和保温时间下单质板中的金属单质与高熵合金中的Fe、Ni、Cr等反应生成金属间化合物，由此制得高熵合金/金属间化合物层叠板。所述热压的温度低于板料熔点温度，使板料之间进行固固扩散。在热压后冷却，即得到金属间化合物复合材料。为了使用需要，可以在冷却之后再进行一定时间的热处理，所述热处理的温度为800～1000℃，时间为1～2h；所述热处理使单质板完全扩散反应，与高熵合金板生成金属间化合物，将高熵合金具有的高韧性和高强度与金属间化合物的高硬度和高耐磨性结合起来，以制备出更好抗冲击性能的叠层板。

同样的，所述热轧优选在氩气保护下进行以避免引入额外杂质，通过本领域技术人员熟知的轧制手段实现高熵合金与单质板的复合。所述热轧的温度低于板料熔点温度，使板料之间进行固固扩散。在热轧后冷却，即得到金属间化合物复合材料。为了使用需要，热轧后冷却后再进行一定时间的热处理，所述热处理的温度为800～1000℃，时间为1～2h；所述热处理使单质板完全扩散反应，与高熵合金板生成金属间化合物，将高熵合金具有的高韧性和高强度与金属间化合物的高硬度和高耐磨性结合起来，以制备出更好抗冲击性能的叠层板。

以CoCrFeNi高熵合金板和Al板制备高熵合金叠层板为例(本发明包含但不仅限与此)，详细步骤如下：

1)将Co、Cr、Fe、Ni、Mn(按需)纯金属按原子比1:1:1:1:1混合，在真空中频感应熔炼，得到铸锭(熔炼五次)；

2)取一定尺寸的铸锭，按照冷轧→退火→打磨→抛光→超声波清洗，获得高熵合金板；

3)取一定厚度单质板，依次经过打磨→抛光→超声波清洗；

4)将高熵合金板/单质板/高熵合金板交替叠放。

5)在氩气保护下通过压力机施加压力，在单质板熔点以下保持压力进行固/固扩散2～48h，并空冷至室温。

6)将制得的高熵合金叠层板在1000℃下真空退火2h并炉冷，得到金属间化合物复合材料。

本申请制备的层叠板金属间化合物复合材料可补偿单层材料性能的不足，得到强、韧配合的抗冲击材料，同时形成的金属间化合物层可进一步提高复合材料的抗冲击性。当高速旋转的子弹侵入该叠层板时，由于高熵合金强的韧性，产生一定的变形吸收子弹的一部分动能，子弹的旋转摩擦又将另一部分动能转化成热能，由于金属间化合物的高耐磨性和高的高温稳定性，高熵合金具有的高的强度、韧性和高温稳定性，同时保障了高熵合金叠层板的抗子弹侵入性能。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的金属间化合物复合材料及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

将冷轧到1mm的CoCrFeNi合金板和0.5mmAl板打磨抛光清洗后交替叠放，在氩气保护下通过压力机施加压力到1.5MPa～3.8MPa，加热到630～655℃并保温10h～24h使铝与高熵合金进行扩散反应，然后继续加热到800～1000℃继续保温2h后炉冷至室温，得到复合材料。

图1为本实施例制备的复合材料的SEM照片，由图1可知，Al在高温下保温一定时间后向高熵合金一侧扩散，形成了金属间化合物层，制得了高熵合金/金属间化合物叠层材料。

实施例2

与实施例1的制备方法相同，区别在于：高熵合金厚度为0.1mm～0.5mm，Al厚度为100um～1mm，加热至650℃保温时间为1～4h。

实施例3

与实施例1制备方法相同，区别在于：Al板厚度为1～2mm，在650℃保温4～6h，得到Al层较厚的更轻的叠层复合材料。

该复合材料中由于保温时间更短，Al层未完全反应，得到了含有Al层的高熵合金叠层材料，相同厚度下，此方法制得的高熵合金叠层板更轻，且相比前面的工艺减少了退火的步骤，制备时间缩短。

实施例4

与实施例1制备方法相同，区别在于：依次叠加1mmCoCrFeNi合金板、0.5mmAl板和1mmCoCrFeNi合金板，得到复合材料。

检测该实施例制备的复合材料的性能，冲击韧性ak值可到85.7～108.5J/cm²。

实施例5

与实施例1制备方法相同，区别在于：依次叠加1mmCoCrFeMnNi合金板、0.5mmAl板和1mmCoCrFeMnNi合金板，得到复合材料。

检测该实施例制备的复合材料的性能，冲击韧性ak值可到90～115J/cm²。

本实施例中高熵合金CoCrFeMnNi熔点为1280℃，制备得到的高熵合金金属间化合物熔点可达1650℃，具有良好的高温稳定性，同时化合物层硬度可达55HRC。

实施例6

依次叠加1mmCoCrFeMnNi合金板、0.5mmAl板和1mmCoCrFeMnNi合金板，在氩气保护下轧制得到的层叠板同时加热到630～655℃并保温10h～24h使铝与高熵合金进行扩散反应，然后继续加热到800～1000℃继续保温2h后炉冷至室温，得到复合材料。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种金属间化合物复合材料，由第一高熵合金板、中间层与第二高熵合金板复合而成，所述中间层为单质板或交替叠放的高熵合金板与单质板；所述复合的方式为热压复合或热轧复合；所述第一高熵合金板为CoCrFeNi合金板或CoCrFeMnNi合金板，所述第二高熵合金板为CoCrFeNi合金板或CoCrFeMnNi合金板，所述单质板选自Mo板、Ti板、Nb板、Al板和Mg板中的一种或多种。

2.一种金属间化合物复合材料，由高熵合金板、中间层与单质板复合而成，或，由高熵合金板与单质板复合而成；所述中间层为交替叠放的高熵合金板与单质板，所述复合的方式为热压复合或热轧复合；所述高熵合金板为CoCrFeNi合金板或CoCrFeMnNi合金板，所述单质板选自Mo板、Ti板、Nb板、Al板和Mg板中的一种或多种。

3.根据权利要求1或2所述的金属间化合物复合材料，其特征在于，所述单质板的厚度为100μm～2mm。

4.根据权利要求1或2所述的金属间化合物复合材料，其特征在于，所述高熵合金板的厚度为0.1mm～1mm。

5.根据权利要求1所述的金属间化合物复合材料，其特征在于，所述金属间化合物复合材料由第一高熵合金板、第一单质板、第三高熵合金板、第二单质板与第二高熵合金板热压复合而成。

6.根据权利要求1所述的金属间化合物复合材料，其特征在于，所述金属间化合物复合材料由第一高熵合金板、第一单质板、第二单质板与第二高熵合金板热压复合而成。

7.根据权利要求2所述的金属间化合物复合材料，其特征在于，所述金属间化合物复合材料由高熵合金板、第一单质板、第一高熵合金板与单质板热压复合而成。

8.根据权利要求2所述的金属间化合物复合材料，其特征在于，所述金属间化合物复合材料由高熵合金板、第一单质板、第二单质板、第一高熵合金板、第二高熵合金板与单质板热压复合而成。

9.权利要求1所述的金属间化合物复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将第一高熵合金板、中间层与第二高熵合金板叠加放置，得到层叠板；

将所述层叠板复合后冷却，得到金属间化合物复合材料；所述复合的方式为热压复合或热轧复合；

所述中间层为单质板或交替叠放的高熵合金板与单质板；

所述第一高熵合金板为CoCrFeNi合金板或CoCrFeMnNi合金板，

所述第二高熵合金板为CoCrFeNi合金板或CoCrFeMnNi合金板，

所述单质板选自Mo板、Ti板、Nb板、Al板和Mg板中的一种或多种。

10.权利要求2所述的金属间化合物复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将高熵合金板、中间层与单质板叠加放置，得到层叠板；

或，将高熵合金板与单质板叠加放置，得到层叠板；

将所述层叠板复合后冷却，得到金属间化合物复合材料；所述复合的方式为热压复合或热轧复合；

所述高熵合金板为CoCrFeNi合金板或CoCrFeMnNi合金板，

所述单质板选自Mo板、Ti板、Nb板、Al板和Mg板中的一种或多种。