CN115338410A - 一种具有高耐磨性的高熵合金和铝合金复合材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有高耐磨性的高熵合金和铝合金复合材料及制备方法，属于金属材料加工领域。在本发明中，先对高熵合金和铝合金粉末混合并制备复合粉末，然后采用热压和挤压模具制备板状的复合材料，但复合材料的力学性能仍低于单一组织的高熵合金，复合材料在受力使用过程中，最容易出现质量问题及裂纹源的位置仍然是表层，如果直接采用激光熔覆等技术制备高熵合金涂层能够强化表面性能，但由于高熵合金与铝合金的热膨胀系数及熔点等差距较大，容易出现明显的质量问题，甚至损伤基体材料，所以本技术利用同种成分的高熵合金粉末在复合材料板上压片，再利用轧机制备出表面为高熵合金内部为高熵合金和铝合金的复合的板料，最后采用激光重熔技术强化高熵合金和铝合金复合材料的表面及避免裂纹源。因此，本发明制备得到高熵合金和铝合金复合材料能够显著降低成本，并具备与单一高熵合金相接近的表面性能。

Description

一种具有高耐磨性的高熵合金和铝合金复合材料及制备方法
技术领域
本发明属于金属材料加工领域，涉及一种具有高耐磨性的高熵合金和铝合金复合材料及制备方法。
背景技术
一种新的合金设计方式(高熵合金)在2004年被提出，并在过去的十多年中得到了较为广泛的关注。高熵合金由5～13个主要元素组成，每个元素的浓度为5at.％～35at.％。由于存在高熵效应、鸡尾酒效应、迟缓扩散效应等，高熵合金具有优异的力学性能和表面性能，如优异的耐蚀性，良好的耐磨性，高硬度和优异的高温抗氧化性能。高熵合金是近十几年开发的一种新型合金，通过适当的成分设计，可获得具有诸多优异性能，所以高熵合金具有很广泛的应用潜力。但高熵合金成本较高，限制了高熵合金大范围的实际应用。铝合金材料具有较低的密度和低廉的成本，但强度等力学性能指标较差。制备高熵合金和铝合金复合材料能够结合二者的优点，复合材料的成本显著低于单一的高熵合金，但强度等力学性能指标显著高于单一的铝合金。尽管如此，复合材料的力学性能仍低于单一组织的高熵合金材料，复合材料在受力使用过程中，最容易出现质量问题及裂纹源的位置仍然是表层，所以探索一种能够提升表面性能的高熵合金和铝合金复合材料及制备方法具有重要的研究意义和应用价值。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种具有高耐磨性的高熵合金和铝合金复合材料及制备方法。在本发明中，先对高熵合金和铝合金粉末混合并制备复合粉末，然后采用热压和挤压模具制备板状的复合材料，但复合材料的力学性能仍低于单一组织的高熵合金，复合材料在受力使用过程中，最容易出现质量问题及裂纹源的位置仍然是表层，如果直接采用激光熔覆等技术制备高熵合金涂层能够强化表面性能，但由于高熵合金与铝合金的热膨胀系数及熔点等差距较大，容易出现明显的质量问题，甚至损伤基体材料，所以本技术利用同种成分的高熵合金粉末在复合材料板上压片，再利用轧机制备出表面为高熵合金内部为高熵合金和铝合金的复合的板料，最后采用激光重熔技术强化高熵合金和铝合金复合材料的表面及避免裂纹源。因此，本发明制备得到高熵合金和铝合金复合材料能够显著降低成本，并具备与单一高熵合金相接近的表面性能。
本发明提供了一种具有高耐磨性的高熵合金和铝合金复合材料，制备的高熵合金和铝合金复合材料的摩擦磨损系数为0.52～0.68，质量磨损率为4.2×10-5～5.6×10-5g/m。
进一步的，所述高熵合金为FeCoNiCrMn，铝合金为6系铝合金。
本发明提供了一种具有高耐磨性的高熵合金和铝合金复合材料的方法，具体包括如下步骤：
(1)将真空雾化的高熵合金粉末与铝合金粉末进行球磨混粉，获得均匀的高熵合金和铝合金复合粉末；
(2)将步骤(1)制得高熵合金和铝合金复合粉末及热压模具分别加热并保温，然后将高熵合金和铝合金的复合粉末倒入热压模具中，利用压机进行热压烧结并保压，最后利用顶出装置顶出制好的棒状坯料；
(3)将步骤(2)制得棒料和挤压模具分别加热并保温，然后将棒料置入挤压模具中(挤压模具的入口为棒状、出口为板状)，制备出高熵合金和铝合金的复合板料；
(4)将真空雾化的高熵合金粉末进行球磨混粉，获得均匀的高熵合金粉末；
(5)将均匀的高熵合金粉末在步骤(3)中得到的高熵合金和铝合金复合板料上压片，然后将其固定在轧机工作平台上，接着进行轧制和热处理，然后去除氧化层，制得的表面为高熵合金和心部为高熵合金和铝合金的复合板料；
(6)采用激光重熔方式对步骤(5)制得的复合板料的表面进行强化，获得成品。
进一步地，步骤(1)中，高熵合金粉末与铝合金粉末质量比为1:1～5；高熵合金颗粒直径为40～80μm；铝合金颗粒直径40～80μm。
进一步地，步骤(2)中，高熵合金和铝合金复合粉末及预压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为420～480℃，保温时间为90～120min，热压烧结的保压时间为40～60min。
进一步地，步骤(3)中，棒料和挤压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为420～480℃，保温时间为90～120min，挤压速度为0.2～0.4mm/s；
进一步地，步骤(5)中，所述压片力为100MPa。
进一步地，步骤(5)中，热轧温度为420～480℃，压下量为40～60％，轧制后水冷至室温，然后入炉以40～50℃/s加热至500℃保温，保温60～120min后水冷至室温。
进一步地，步骤(6)中，激光功率为1000～1400W，光斑直径4～6mm，扫描速度4～8mm/s，搭接率30-50％。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种具有高耐磨性的高熵合金和铝合金复合材料及制备方法，制备的复合材料表层具有均匀和致密的高熵合金组织，复合材料的摩擦磨损系数为0.52～0.68，质量磨损率为4.2×10-5～5.6×10-5g/m。
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种具有高耐磨性的高熵合金和铝合金复合材料及制备方法。在本发明中，先对高熵合金和铝合金粉末混合并制备复合粉末，然后采用热压和挤压模具制备板状的复合材料，但复合材料的力学性能仍低于单一组织的高熵合金，复合材料在受力使用过程中，最容易出现质量问题及裂纹源的位置仍然是表层，如果直接采用激光熔覆等技术制备高熵合金涂层能够强化表面性能，但由于高熵合金与铝合金的热膨胀系数及熔点等差距较大，容易出现明显的质量问题，甚至损伤基体材料，所以本技术利用同种成分的高熵合金粉末在复合材料板上压片，再利用轧机制备出表面为高熵合金内部为高熵合金和铝合金的复合的板料，最后采用激光重熔技术强化高熵合金和铝合金复合材料的表面及避免裂纹源。因此，本发明制备得到高熵合金和铝合金复合材料能够显著降低成本，并具备与单一高熵合金相接近的表面性能。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的高熵合金和铝合金复合材料的表层的微观组织形貌图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本实施例涉及的高熵合金为FeCoNiCrMn，铝合金为6系铝合金，均为本领域广泛应用的公知材料。
实施例1：
(1)将真空雾化的高熵合金粉末与铝合金粉末进行球磨混粉，获得均匀的高熵合金和铝合金复合粉末；高熵合金粉末与铝合金粉末质量比为1:3；高熵合金颗粒直径为40～80μm；铝合金颗粒直径40～80μm。
(2)将步骤(1)制得高熵合金和铝合金复合粉末及热压模具分别加热并保温，然后将高熵合金和铝合金的复合粉末倒入热压模具中，利用压机进行热压烧结并保压，最后利用顶出装置顶出制好的棒状坯料；高熵合金和铝合金复合粉末及预压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为440℃，保温时间为100min，热压烧结的保压时间为50min。
(3)将步骤(2)制得棒料和挤压模具分别加热并保温，然后将棒料置入挤压模具中(挤压模具的入口为棒状、出口为板状)，制备出高熵合金和铝合金的复合板料；棒料和挤压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为440℃，保温时间为100min，挤压速度为0.3mm/s；
(4)将真空雾化的高熵合金粉末进行球磨混粉，获得均匀的高熵合金粉末；
(5)将均匀的高熵合金粉末在步骤(3)中得到的高熵合金和铝合金复合板料上压片，然后将其固定在轧机工作平台上，接着进行轧制和热处理，然后去除氧化层，制得表面为高熵合金和心部为高熵合金和铝合金的复合板料；所述压片力为100MPa。热轧温度为440℃，压下量为50％，轧制后水冷至室温，然后入炉以40℃/s加热至500℃保温，保温80min后水冷至室温。
(6)采用激光重熔方式对步骤(5)制得的复合板料的表面进行强化。激光功率为1000W，光斑直径5mm，扫描速度6mm/s，搭接率40％。
对制备得到的高熵合金和铝合金复合材料的表层进行微观组织表征及室温摩擦磨损性能测试。如图1，制备得到高熵合金和铝合金复合材料的表层组织均匀和致密，摩擦磨损系数为0.52，质量磨损率为4.2×10-5g/m。
实施例2：
与实施例1基本相同，但有以下改变：步骤(2)的热压温度为480℃。
对制备得到的高熵合金和铝合金复合材料进行室温摩擦磨损性能测试。摩擦磨损系数为0.68，质量磨损率为5.6×10-5g/m。
实施例3：
与实施例1基本相同，但有以下改变：步骤(3)的挤压温度为480℃。
对制备得到的高熵合金和铝合金复合材料进行室温摩擦磨损性能测试。摩擦磨损系数为0.63，质量磨损率为5.1×10-5g/m。
实施例4：
与实施例1基本相同，但有以下改变：步骤(5)的热轧温度为480℃。
对制备得到的高熵合金和铝合金复合材料进行室温摩擦磨损性能测试。摩擦磨损系数为0.61，质量磨损率为4.9×10-5g/m。
实施例5：
与实施例1基本相同，但有以下改变：步骤(6)的激光功率为1400W。
对制备得到的高熵合金和铝合金复合材料进行室温摩擦磨损性能测试。摩擦磨损系数为0.64，质量磨损率为5.3×10-5g/m。
对比例1：
(1)将真空雾化的高熵合金粉末与铝合金粉末进行球磨混粉，获得均匀的高熵合金和铝合金复合粉末；高熵合金粉末与铝合金粉末质量比为1:3；高熵合金颗粒直径为40～80μm；铝合金颗粒直径40～80μm。
(2)将步骤(1)制得高熵合金和铝合金复合粉末及热压模具分别加热并保温，然后将高熵合金和铝合金的复合粉末倒入热压模具中，利用压机进行热压烧结并保压，最后利用顶出装置顶出制好的棒状坯料；高熵合金和铝合金复合粉末及预压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为440℃，保温时间为100min，热压烧结的保压时间为50min。
(3)将步骤(2)制得棒料和挤压模具分别加热并保温，然后将棒料置入挤压模具中(挤压模具的入口为棒状、出口为板状)，制备出高熵合金和铝合金的复合板料；棒料和挤压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为440℃，保温时间为100min，挤压速度为0.3mm/s，获得成品。
对制备得到的高熵合金和铝合金复合材料进行室温摩擦磨损性能测试。摩擦磨损系数为1.15，质量磨损率为11.3×10-5g/m。
对比例2：
(1)将真空雾化的高熵合金粉末与铝合金粉末进行球磨混粉，获得均匀的高熵合金和铝合金复合粉末；高熵合金粉末与铝合金粉末质量比为1:3；高熵合金颗粒直径为40～80μm；铝合金颗粒直径40～80μm。
(2)将步骤(1)制得高熵合金和铝合金复合粉末及热压模具分别加热并保温，然后将高熵合金和铝合金的复合粉末倒入热压模具中，利用压机进行热压烧结并保压，最后利用顶出装置顶出制好的棒状坯料；高熵合金和铝合金复合粉末及预压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为440℃，保温时间为100min，热压烧结的保压时间为50min。
(3)将步骤(2)制得棒料和挤压模具分别加热并保温，然后将棒料置入挤压模具中(挤压模具的入口为棒状、出口为板状)，制备出高熵合金和铝合金的复合板料；棒料和挤压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为440℃，保温时间为100min，挤压速度为0.3mm/s；
(4)将真空雾化的高熵合金粉末进行球磨混粉，获得均匀的高熵合金粉末；
(5)将均匀的高熵合金粉末在步骤(3)中得到的高熵合金和铝合金复合板料上压片，然后将其固定在轧机工作平台上，接着进行轧制和热处理，然后去除氧化层，制得的表面为高熵合金和心部为高熵合金和铝合金的复合板料；所述压片力为100MPa。热轧温度为440℃，压下量为50％，轧制后水冷至室温，然后入炉以40℃/s加热至500℃保温，保温80min后水冷至室温。
对制备得到的高熵合金和铝合金复合材料进行室温摩擦磨损性能测试。摩擦磨损系数为0.83，质量磨损率为8.8×10-5g/m。
对比例3：
(1)将真空雾化的高熵合金粉末与铝合金粉末进行球磨混粉，获得均匀的高熵合金和铝合金复合粉末；高熵合金粉末与铝合金粉末质量比为1:3；高熵合金颗粒直径为40～80μm；铝合金颗粒直径40～80μm。
(2)将步骤(1)制得高熵合金和铝合金复合粉末及热压模具分别加热并保温，然后将高熵合金和铝合金的复合粉末倒入热压模具中，利用压机进行热压烧结并保压，最后利用顶出装置顶出制好的棒状坯料；高熵合金和铝合金复合粉末及预压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为440℃，保温时间为100min，热压烧结的保压时间为50min。
(3)将步骤(2)制得棒料和挤压模具分别加热并保温，然后将棒料置入挤压模具中(挤压模具的入口为棒状、出口为板状)，制备出高熵合金和铝合金的复合板料；棒料和挤压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为440℃，保温时间为100min，挤压速度为0.3mm/s；
(4)将真空雾化的高熵合金粉末进行球磨混粉，获得均匀的高熵合金粉末；
(5)采用激光熔覆方式利用步骤(4)制得的高熵合金粉末熔覆在步骤(3)制得的高熵合金和铝合金的复合板料表面制备高熵合金涂层。激光功率为1000W，光斑直径5mm，扫描速度6mm/s，搭接率40％，送粉速度10g/min。
对制备得到的高熵合金和铝合金复合材料进行室温摩擦磨损性能测试。摩擦磨损系数为0.97，质量磨损率为9.4×10-5g/m。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有高耐磨性的高熵合金和铝合金复合材料及制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)将真空雾化的高熵合金粉末与铝合金粉末进行球磨混粉，获得均匀的高熵合金和铝合金复合粉末；
(2)将步骤(1)制得高熵合金和铝合金复合粉末及热压模具分别加热并保温，然后将高熵合金和铝合金的复合粉末倒入热压模具中，利用压机进行热压烧结并保压，最后利用顶出装置顶出制好的棒状坯料；
(3)将步骤(2)制得棒料和挤压模具分别加热并保温，然后将棒料置入挤压模具中(挤压模具的入口为棒状、出口为板状)，制备出高熵合金和铝合金的复合板料；
(4)将真空雾化的高熵合金粉末进行球磨混粉，获得均匀的高熵合金粉末；
(5)将均匀的高熵合金粉末在步骤(3)中得到的高熵合金和铝合金复合板料上压片，然后将其固定在轧机工作平台上，接着进行轧制和热处理，然后去除氧化层，制得的表面为高熵合金和心部为高熵合金和铝合金的复合板料；
(6)采用激光重熔方式对步骤(5)制得的复合板料的表面进行强化，获得成品。
2.根据权利要求1所述的高熵合金和铝合金复合材料及制备方法，其特征在于，步骤(1)中，高熵合金粉末与铝合金粉末质量比为1:1～5；高熵合金颗粒直径为40～80μm；铝合金颗粒直径40～80μm。
3.根据权利要求1所述的高熵合金和铝合金复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，高熵合金和铝合金复合粉末及预压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为420～480℃，保温时间为90～120min，热压烧结的保压时间为40～60min。
4.根据权利要求1所述的高熵合金和铝合金复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，棒料和挤压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为420～480℃，保温时间为90～120min，挤压速度为0.2～0.4mm/s。
5.根据权利要求1所述的高熵合金和铝合金复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述压片力为100MPa。
6.根据权利要求1所述的高熵合金和铝合金复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，热轧温度为420～480℃，压下量为40～60％，轧制后水冷至室温，然后入炉以40～50℃/s加热至500℃保温，保温60～120min后水冷至室温。
7.根据权利要求1所述的高熵合金和铝合金复合材料的制备方法，其特征在于，
步骤(6)中，所述激光重熔的工艺参数如下：激光功率为1000～1400W，光斑直径4～6mm，扫描速度4～8mm/s，搭接率30-50％。
8.根据权利要求1～7任一项所述的高熵合金和铝合金复合材料的制备方法，其特征在于，所述高熵合金和铝合金复合材料的摩擦磨损系数为0.52～0.68，质量磨损率为4.2×10-5～5.6×10-5g/m。
9.根据权利要求8所述的高熵合金和铝合金复合材料的制备方法，其特征在于，
高熵合金为FeCoNiCrMn，铝合金为6系铝合金。
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