CN113403493B - 一种高强韧中熵CrCoNi颗粒增强Cu基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新型粉末冶金材料技术领域，具体公开了一种高强韧中熵CrCoNi颗粒增强Cu基复合材料及其制备方法。包括以下步骤：将球状Cu粉和CrCoNi粉分别球磨成片状后，通过湿磨工艺混合，再通过真空抽滤方式获得复合粉体生坯；将复合粉末生坯采用放电等离子烧结工艺进行烧结成型；将烧结后的复合材料采用热轧工艺进行后塑性变形，从而制备出高致密中熵CrCoNi合金增强Cu基层状复合材料。本发明基于CrCoNi中熵合金本征性能和层状结构的协同效应，所得复合材料不仅具有与纯Cu相当的塑韧性，并具有显著提高的强度，表现出优异的强塑性匹配度。
Description
技术领域
本发明属于新型粉末冶金材料技术领域，特别涉及一种高强韧中熵CrCoNi颗粒增强Cu基复合材料及其制备方法。
背景技术
Cu具有优良的导热性和导电性，在电力、电气、兵器等领域应用广泛。但纯Cu的强度较低，限制了纯Cu在工业领域的直接应用。为了获得能满足应用需求的力学性能，在Cu基体中加入颗粒增强体是已被广泛采用的途径。迄今为止，多种陶瓷颗粒已被用作增强相，如Al2O3、SiC、TiB2等。通过在Cu基体中加入陶瓷颗粒的确可以使所制备的Cu基复合材料强度和杨氏模量显著高于纯Cu，但其延展性和韧性会显著降低。这主要是有两个方面的原因。一方面，由于所应用的陶瓷颗粒不能被Cu基体润湿，陶瓷颗粒与Cu基体之间不能形成冶金结合界面，两者间的界面结合强度较低，在复合材料承载过程中，裂纹易在界面区域形核并快速扩展，引起材料过早断裂。另一方面，硬质、脆性陶瓷颗粒与Cu基体协调变形能力差，在界面处容易发生应力集中，导致界面开裂。因此，有必要开发全新的Cu基复合材料体系，克服现有陶瓷颗粒增强Cu基复合材料的上述不足，使Cu基复合材料同时具有高强度和高延展性。
近年来，高熵、中熵合金由于具有优异的强度、延伸率和高耐磨性而受到广泛关注，但把中熵合金CrCoNi作为增强相制备Cu基复合材料未见报道。若采用具有本征优异力学性能的CrCoNi作为增强相，不仅能够通过原子界面扩散形成冶金强结合界面，并且能够发挥中熵CrCoNi合金优异的协调变形能力，从而有望使材料获得良好的强韧性匹配。
此外，近年来类似于珍珠层状仿生材料因其独特的结构、性能特点引起了学者的极大关注。研究表明，交替排列形成的层压结构可产生更高的强度和断裂韧性。为了发挥高熵合金在提高复合材料力学性能潜在作用的同时进一步显著提高复合材料的强度和韧性匹配度，将中熵CrCoNi合金增强Cu基复合材料设计成层状结构是一种可行方案。但目前关于中熵CrCoNi合金增强Cu基层状复合材料的制备方法、微观结构与力学性能间的关系在工业及学术界仍是空白。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种高强韧中熵CrCoNi颗粒增强Cu基复合材料的制备方法。
本发明另一目的在于提供上述方法得到的高强韧中熵CrCoNi颗粒增强Cu基复合材料
本发明的目的通过下述方案实现：
一种高强韧中熵CrCoNi颗粒增强Cu基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)复合粉末制备：将球状Cu粉和CrCoNi粉分别球磨成片状后，通过湿磨工艺混合，再通过真空抽滤方式获得复合粉体生坯；
2)复合粉末烧结：将复合粉末生坯采用放电等离子烧结工艺进行烧结成型；
3)复合材料热轧成型：将烧结后的复合材料采用热轧工艺进行后塑性变形，从而制备出高致密中熵CrCoNi合金增强Cu基层状复合材料。
步骤1)中，所述CrCoNi粉和Cu粉的体积百分比含量为：Cu粉80～95vol％，CrCoNi粉5～20vol％；
步骤1)所述粉末球磨的工艺参数为：球磨机转速为300～500转/分钟，球磨时间为4～8h，球料比为10:1～20:1；球磨优选为在氩气保护气氛下进行。
步骤1)所述湿磨工艺的参数为：以无水乙醇为球磨介质进行，球磨机转速为300～400转/分钟，球料比为3:1～5:1，球磨时间为3～5h。
步骤2)中，所述烧结工序参数如下：烧结温度800～1000℃，烧结压力为30～50MPa，烧结时间为20min～1h，烧结气氛为真空。
步骤3)中，所述热轧成型工艺参数如下：热轧保温温度700～850℃，下压量30～50％。
一种高强韧中熵CrCoNi颗粒增强Cu基复合材料通过上述方法制备得到。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
1)所采用的CrCoNi中熵合金颗粒具有高强韧性，协调变形能力强，易与Cu基体形成扩散冶金结合界面。
2)在对Cu粉和CrCoNi中熵合金进行片状处理后，仅需通过液相混合和后续真空抽滤即可实现层状复合材料的自组装，设备要求低。
3)CrCoNi中熵合金和Cu基体烧结性能好，可采用放电等离子烧结、普通热压、热等静压等烧结方式实现高效烧结，烧结设备可选择性广。
4)基于CrCoNi中熵合金本征性能和层状结构的协同效应，本发明的复合材料不仅具有与纯Cu相当的塑韧性，并具有显著提高的强度，表现出优异的强塑性匹配度。
附图说明
图1为5vol.％CrCoNi增强Cu基复合材料的扫描电镜图片。
图2为10vol.％CrCoNi增强Cu基复合材料的扫描电镜图片。
图3为CrCoNi增强Cu基复合材料的元素分布表征结果。
图4为5vol.％CrCoNi增强Cu基复合材料与纯Cu的力学性能对比图。
图5为10vol.％CrCoNi增强Cu基复合材料与纯Cu的力学性能对比图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图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。
实施例中所用试剂如无特殊说明均可从市场常规购得。
实施例1
制备CrCoNi中熵合金增强Cu基层状复合材料，所用原料为95vol.％球形纯Cu粉和5vol.％球形纯CrCoNi粉。按照粉末原料配比称取原料粉末，通过氩气保护，采用350转/分钟的转速、球磨时间5h、球料比15:1的球磨参数将纯Cu粉预磨成片状Cu粉，采用450转/分钟的转速、球磨时间4h，球料比20:1的球磨参数将CrCoNi粉预磨成片状CrCoNi粉。在此基础上，将片状Cu粉和片状CrCoNi粉在酒精介质中球磨混合，混合参数为球磨机转速300转/分钟、球料比5:1、球磨时间5h，然后在室温下真空抽滤成生坯。再将生坯在放电等离子烧结炉中于950℃烧结30min，烧结时施加的机械压力为30MPa，保护气氛为真空。最后，将烧结后的复合材料在850℃保温1h后热轧，轧制压下量为50％，获得CrCoNi中熵合金增强Cu基层状复合材料。所制备的CrCoNi层状颗粒增强Cu基复合材料的拉伸强度为265MPa，延伸率为29％。
图1为5vol.％CrCoNi增强Cu基复合材料的扫描电镜图片，表明CrCoNi增强相颗粒呈层状分布。图3为CrCoNi增强Cu基复合材料的元素分布表征结果，表明CrCoNi增强相与Cu基体形成了扩散结合界面。
实施例2
制备CrCoNi中熵合金增强Cu基复合材料，所用原料为90vol.％球形纯Cu粉和10vol.％球形纯CrCoNi粉。按照粉末原料配比称取原料粉末，通过氩气保护，采用350转/分钟的转速、球磨时间5h、球料比15:1的球磨参数将纯Cu粉预磨成片状Cu粉，采用450转/分钟的转速、球磨时间4h，球料比20:1的球磨参数将CrCoNi粉球预磨成片状CrCoNi粉。在此基础上，将片状Cu粉和片状CrCoNi粉在酒精介质中球磨混合，混合参数为球磨机转速300转/分钟、球料比3:1、球磨时间5h，然后在室温下真空抽滤成生坯。再将生坯在放电等离子烧结炉中于950℃烧结20min，烧结时施加的机械压力为50MPa，保护气氛为真空。最后，将烧结后的复合材料在750℃保温1h后热轧，轧制压下量为30％，获得CrCoNi中熵合金增强Cu基层状复合材料。所制备的CrCoNi层状颗粒增强Cu基复合材料的拉伸强度为331MPa，延伸率为29.2％。
实施例3
制备CrCoNi中熵合金增强Cu基层状复合材料，所用原料为90vol.％球形纯Cu粉和10vol.％球形纯CrCoNi粉。按照粉末原料配比称取原料粉末，通过氩气保护，采用350转/分钟的转速、球磨时间8h、球料比10:1的球磨参数将纯Cu粉球磨成片状Cu粉，采用500转/分钟的转速、球磨时间4h，球料比10:1的球磨参数将CrCoNi粉球磨成片状CrCoNi粉。在此基础上，将片状Cu粉和片状CrCoNi粉在酒精介质中球磨混合，混合参数为球磨机转速350转/分钟、球料比4:1、球磨时间4h，然后在室温下真空抽滤成生坯。再将生坯在放电等离子烧结炉中于1000℃烧结20min，烧结时施加的机械压力为30MPa，保护气氛为真空。最后，将烧结后的复合材料在750℃保温1h后热轧，轧制压下量为30％，获得CrCoNi中熵合金增强Cu基层状复合材料。所制备的CrCoNi层状颗粒增强Cu基复合材料的拉伸强度为319MPa，延伸率为29.4％。
图2为本实施例制备的10vol.％CrCoNi增强Cu基复合材料的扫描电镜图片，表明更高含量的CrCoNi增强相颗粒均呈层状分布。图5为10vol.％CrCoNi增强Cu基复合材料与纯Cu的力学性能对比图。
实施例4
制备CrCoNi中熵合金增强Cu基层状复合材料，所用原料为85vol.％球形纯Cu粉和15vol.％球形纯CrCoNi粉。按照粉末原料配比称取原料粉末，通过氩气保护，采用400转/分钟的转速、球磨时间5h、球料比15:1的球磨参数将纯Cu粉预磨成片状Cu粉，采用450转/分钟的转速、球磨时间8h，球料比10:1的球磨参数将CrCoNi粉预磨成片状CrCoNi粉。在此基础上，将片状Cu粉和片状CrCoNi粉在酒精介质中球磨混合，混合参数为球磨机转速300转/分钟、球料比5:1、球磨时间5h，然后在室温下真空抽滤成生坯。再将生坯在放电等离子烧结炉中于800℃烧结1h，烧结时施加的机械压力为50MPa，保护气氛为真空。最后，将烧结后的复合材料在850℃保温1h后热轧，轧制压下量为50％，获得CrCoNi中熵合金增强Cu基层状复合材料。所制备的CrCoNi层状颗粒增强Cu基复合材料的拉伸强度363MPa，延伸率为17.5％。
实施例5
制备CrCoNi中熵合金增强Cu基层状复合材料，所用原料为85vol.％球形纯Cu粉和15vol.％球形纯CrCoNi粉。按照粉末原料配比称取原料粉末，通过氩气保护，采用350转/分钟的转速、球磨时间5h、球料比15:1的球磨参数将纯Cu粉预磨成片状Cu粉，采用450转/分钟的转速、球磨时间4h，球料比20:1的球磨参数将CrCoNi粉球磨成片状CrCoNi粉。在此基础上，将片状Cu粉和片状CrCoNi粉在酒精介质中球磨混合，混合参数为球磨机转速300转/分钟、球料比3:1、球磨时间5h，然后在室温下真空抽滤成生坯。再将生坯在放电等离子烧结炉中于950℃烧结20min，烧结时施加的机械压力为50MPa，保护气氛为真空。最后，将烧结后的复合材料在850℃保温1h后热轧，轧制压下量为30％，获得CrCoNi中熵合金增强Cu基层状复合材料。所制备的CrCoNi层状颗粒增强Cu基复合材料的拉伸强度为372MPa，延伸率为17.9％。
实施例6
制备CrCoNi中熵合金增强Cu基层状复合材料，所用原料为80vol.％球形纯Cu粉和20vol.％球形纯CrCoNi粉。按照粉末原料配比称取原料粉末，通过氩气保护，采用350转/分钟的转速、球磨时间5h、球料比15:1的球磨参数将纯Cu粉球磨成片状Cu粉，采用450转/分钟的转速、球磨时间4h，球料比20:1的球磨参数将CrCoNi粉球磨成片状CrCoNi粉。在此基础上，将片状Cu粉和片状CrCoNi粉在酒精介质中球磨混合，球磨混合参数为球磨机转速350转/分钟、球料比3:1、球磨时间5h，然后在室温下真空抽滤成生坯。再将生坯在放电等离子烧结炉中于950℃烧结20min，烧结时施加的机械压力为50MPa，保护气氛为真空。最后，将烧结后的复合材料在800℃保温1h后热轧，轧制压下量为30％，获得CrCoNi中熵合金增强Cu基层状复合材料。所制备的CrCoNi层状颗粒增强Cu基复合材料的拉伸强度为395MPa，延伸率为10.7％。
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，其他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 (4)
1.一种高强韧中熵CrCoNi颗粒增强Cu基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）复合粉末制备：将球状Cu粉和CrCoNi粉分别球磨成片状后，通过湿磨工艺混合，再通过真空抽滤方式获得复合粉体生坯；
2）复合粉末烧结：将复合粉末生坯采用放电等离子烧结工艺进行烧结成型；
3）复合材料热轧成型：将烧结后的复合材料采用热轧工艺进行后塑性变形，从而制备出高致密中熵CrCoNi合金增强Cu基层状复合材料；
步骤1）中，所述CrCoNi粉和Cu粉的体积百分比含量为：Cu粉85~95vol%，CrCoNi粉5~15vol%；
步骤1）所述球磨的工艺参数为：球磨机转速为300~500转/分钟，球磨时间为4~8h，球料比为10:1~20:1；球磨在氩气保护气氛下进行；
步骤1）所述湿磨工艺的参数为：以无水乙醇为球磨介质进行，球磨机转速为300~400转/分钟，球料比为3:1~5:1，球磨时间为3~5h。
2.根据权利要求1所述的高强韧中熵CrCoNi颗粒增强Cu基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤2）中，所述烧结工序参数如下：烧结温度800~1000℃，烧结压力为30~50MPa，烧结时间为20min~1h，烧结气氛为真空。
3.根据权利要求1所述的高强韧中熵CrCoNi颗粒增强Cu基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤3）中，所述热轧成型工艺参数如下：热轧保温温度700~850℃，下压量30~50%。
4.一种高强韧中熵CrCoNi颗粒增强Cu基复合材料，通过权利要求1~3任一项所述的方法制备得到。
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