CN108723371B

CN108723371B - 一种高熵合金增强铝基复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN108723371B
Application number: CN201810674106.8A
Authority: CN
Inventors: 杨少锋; 周航; 杨亚楠; 吕梦馨; 袁家辉
Original assignee: Nanjing Institute of Technology
Current assignee: Nanjing Institute of Technology
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2018-06-27
Publication date: 2021-06-11
Anticipated expiration: 2038-06-27
Also published as: CN108723371A

Abstract

本发明公开了一种高熵合金增强铝基复合材料及制备方法。制备工艺包括设计出高硬度的高熵合金体系，按照计算配比后进行真空高能球磨制备高熵合金粉体；按照配比加入铝合金粉并进行混粉；采用热挤压技术制备高熵合金增强的铝基复合材料。获得的复合材料可以改善增强相与铝合金基体界面结合强度，使复合材料具有良好的力学性能。

Description

一种高熵合金增强铝基复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于金属基复合材料技术领域，具体涉及一种高熵合金增强铝合金复合材料及其制备方法。

背景技术

块体高熵合金(HEA)具有高强度、高硬度、低的弹性模量与大的弹性应变极限等一系列不同于传统晶态合金的优异力学性能，使得其被认为是极具潜力的结构材料。然而，高脆性使得HEA材料在没有明显室温宏观塑性变形的情况下，以突然失效的方式发生灾难性断裂；高脆性、高硬度对材料的加工带来了极大困难。这些都严重地制约着HEA作为先进结构材料在工程中的大规模应用。因此，室温脆性、加工困难问题已经发展成为HEA材料应用的重要瓶颈。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供一种高熵合金增强铝基复合材料及制备方法，在保持其优异强度和硬度的同时，提高复合材料的塑性。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：

一种高熵合金增强铝基复合材料，其特征在于，以铝合金为基体，高熵合金为增强相，高熵合金为具有体心立方结构的高熵合金粉体。

所述高熵合金为各合金组分按照原子比生成的体心立方固溶体（BCC）合金体系；高熵合金中，Al、Fe、Cr、Co、Ni、Cu、Ti金属粉末纯度>99.9%，粒度均≤45μm。所述的基体为铝合金粉，所述铝合金粉的纯度>99.9%，粒度≤300μm。所述复合材料铝合金基体可以是2系至5系的铝合金。

复合材料中，高熵合金的质量含量为10-40wt%，铝合金粉体的质量含量为60-90wt%。

一种高熵合金增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）原料选择： Al、Fe、Cr、Co、Ni、Cu、Ti金属粉末纯度>99.9%，粒度≤45μm；铝合金粉的纯度>99.9%，粒度≤300μm；称量各金属粉末；

2）将称量好的金属粉末置于不锈钢真空磨罐中，抽真空后充入惰性气体，在高能球磨机中进行机械合金化，干磨转速300~500r/min，干磨时间为40~50h，湿磨时间2~5h，湿磨转速为100~300r/min；先干磨，后湿磨；湿磨后，打开真空罐，真空干燥24~36h后，经50~100r/min球磨1~2h，制备得到高熵合金粉末；

3）复合材料粉体制备：步骤2）得到的高熵合金粉体中加入按比例称量好的铝合金粉体，经过150~200r/min的机械混合3-5h，制备复合材料粉体；复合材料粉体中，高熵合金的质量含量为10-40wt%，铝合金粉体的质量含量为60-90wt%；

4）热挤压成形：对复合材料分体进行冷压得到锭坯，然后进行热挤压，挤压温度为400-600 ℃，挤压比为10-15，最终得到高熵合金增强的铝基复合材料。

所述Al、Fe、Cr、Co、Ni、Cu、Ti金属粉末的纯度>99.9%，粒度≤45μm；所述铝合金粉粒度≤200μm。

进一步地，制备方法的具体步骤为：

a）将等待球磨的各金属粉体放入不锈钢磨罐中，以不锈钢球作为研磨体，按照不低于10:1的球粉质量比球磨；球磨之前，先用真空机抽真空10min，之后充入0.5MPa氩气作为保护气体；球磨机的转速为350r/min，并且每60min需要调整旋转方向一次；

b）将无水乙醇加入干磨45h的粉末中进行湿磨5h；球磨结束之后，取出球磨罐，将真空干燥箱打开，然后打开球磨罐罐盖，并留出一定的间隙，将其放入干燥箱后关上箱门；用真空机抽真空之后将温度调节到50℃，经过24h干燥后取出；将经过干燥之后的粉体放入球磨机中，以120r/min的转速球磨2h，制备得到高熵合金复合粉末筛分后取出待用；

c）复合材料致密化：将20wt%的步骤2）得到的高熵合金复合粉与80wt%的6061铝合金粉体置于球磨罐中进行机械混粉；对复合材料粉末进行挤压成型；进行冷压，得到直径为13.5 mm和高度~23 mm的锭坯，然后进行热挤压，挤压温度为450 ℃，挤压比为11.4，最终得到直径为4 mm，长度约为135 mm的铝基复合材料。

采用XRD、TEM、力学性能试验机等对所述高熵合金复合材料进行测试。

本发明的高熵合金增强铝基复合材料，通过成分设计和制备工艺使合金增强体以高强高硬的体心立方固溶体（BCC）为主的高熵合金体，经过高能球磨获得的高熵合金为纳米晶或超细晶偏聚于铝合金晶界上，产生金属相增强强化；在加热、加压致密化过程中，高熵合金相与铝合金相在保持各自晶体结构的同时，形成具有一定扩散的界面结合机制，从而实现高熵合金增强铝合金复合材料的强塑结合，制备出高强高韧的高熵合金增强铝基复合材料。

附图说明

图1 热挤压获得的实施例1的高熵合金增强铝基复合材料示意图；

图2为实施例1制备的复合材料的XRD分析图；

图3为实施例1的复合材料的应力-应变曲线图；

图4为实施例2的高熵合金增强铝基复合材料示意图；

图5为实施例2制备的复合材料的XRD分析图。

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明作进一步地说明。

原料的选择：按下表1称取纯度为99.99%的Al、Fe、Cr、Co、Ni、Cu金属粉末，粒度≤45μm。其中表1制备复合材料选用金属组元的质量，单位为g。

表1制备复合材料选用金属组元的质量

实施例1

（1）复合粉体制备：按上表将准备好的FeNiCoCrCuAl_2.8（下标为摩尔比）粉体在高能球磨机中进行机械合金化，干磨转速为350r/min，干磨40h后，湿磨时间5h，湿磨转速300r/min，制备得到体心立方结构高熵合金FeNiCoCrCuAl_2.8粉末。具体步骤如下：

a）将等待球磨的粉体放入不锈钢磨罐中，以不锈钢球作为研磨体，按照不低于10:1的球粉质量比球磨。球磨之前，先用真空机抽真空10min，之后充入0.5MPa氩气作为保护气体；球磨机的转速为350r/min，并且每60min需要调整旋转方向一次。

b）将无水乙醇加入球磨45h的粉末中进行湿磨5h。球磨结束之后，取出球磨罐，将真空干燥箱打开，然后打开球磨罐罐盖，并留出一定的间隙，将其放入干燥箱后关上箱门。用真空机抽真空之后将温度调节到50℃，经过24h干燥后取出。将经过干燥之后的粉体放入球磨机中，以120r/min的转速球磨2h，制备得到高熵合金复合粉末筛分后取出待用。

（2）复合材料致密化：将上述高熵合金复合粉（20wt%）与6061铝合金粉体（80wt%）置于球磨罐中进行机械混粉；对复合材料粉末进行挤压成型。首先进行冷压，得到直径为13.5 mm和高度~23 mm的锭坯，然后进行热挤压，挤压温度为450 ℃，挤压比为11.4，最终得到如图1所示直径为4 mm，长度约为135 mm的铝基复合材料。

（3）结构和性能表征，采用XRD、力学性能试验机等对上述样品进行测试。XRD分析表明，铝合金及高熵合金均保持各自晶体学结构（图2）。结合图1，内生TiC颗粒分布于晶界处，并在合金致密过程中对fcc固溶体晶粒挤压，造成形变孪晶的出现；所述复合材料的压缩屈服强度、断裂强度和塑性应变分别达到350 .6251 Mpa，470.7533 MPa 和 16.0617%（图3），微观硬度平均为129.9Hv（热挤压6061铝合金硬度48.66HV）与6061铝合金对比见下表2。

表2 拉伸测试数据表

	抗拉强度（MPa）	屈4服强度（MPa）	延伸率（%）
				铝合金	189.6592	156.7139	16.6409
复合材料	470.7533	350 .6251	16.0617

实施例2

复合粉体制备：按上表1将准备好的TiFeNiCoCrCuAl₂（下标为摩尔比）制备出高熵合金粉体，具体步骤参考实施例1。

复合材料的合金基体选用7075铝合金，复合材料制备工艺参考实施例1。复合材料实物图及XRD分析见图4和图5。XRD分析表明，铝合金及高熵合金均保持各自晶体学结构（图5）。所述复合材料的压缩屈服强度、断裂强度和塑性应变分别达到354.5251 Mpa，469.7032MPa 和 16.165%。

实施例3

复合粉体制备：按上表1将准备好的Ti_1.5FeNiCoCrCuAl（下标为摩尔比）制备出高熵合金粉体，具体步骤参考实施例1。

复合材料的合金基体选用7075铝合金，复合材料制备工艺参考实施例1。

本发明的高熵合金增强铝基复合材料，以高熵合金颗粒作为增强相。首先是按照高熵合金的设计原则，设计高强高硬的高熵合金体系；按照设计成分进行配比合金，采用机械合金化技术，真空球磨制取具有体心立方结构的高熵合金粉体；将制备好的高熵合金粉体与选取的铝合金粉体进行充分的机械混合；采用预成坯再热挤压的工艺，制备出高强高韧的高熵合金复合材料。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和等同形式的替换，这些改进和等同替换得到的技术方案也应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种高熵合金增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述高熵合金增强铝基复合材料，以6061铝合金为基体，高熵合金为增强相，高熵合金为具有体心立方结构的高熵合金粉体；所述高熵合金粉体选用金属组元的质量分别为：Al 75.6份、Fe 56份、Cr 52份、Co59份、Ni 59份、Cu 64份；以上金属组元按照原子比生成体心立方固溶体高熵合金；

所述制备方法包括以下步骤：

1）原料选择：高熵合金粉体选用Al、Fe、Cr、Co、Ni、Cu、Ti金属粉末纯度>99.9%，粒度≤45μm；6061铝合金粉的纯度>99.9%，粒度≤200μm；称量各金属粉末；

2) 高熵合金粉体的制备：a）将等待球磨的高熵合金用各金属粉体放入不锈钢磨罐中，以不锈钢球作为研磨体，按照不低于10:1的球粉质量比球磨；球磨之前，先用真空机抽真空10min，之后充入0.5MPa氩气作为保护气体；球磨机的转速为350r/min，并且每60min需要调整旋转方向一次；

b)将无水乙醇加入干磨45h的粉末中进行湿磨5h；球磨结束之后，取出球磨罐，将真空干燥箱打开，然后打开球磨罐罐盖，并留出一定的间隙，将其放入干燥箱后关上箱门；用真空机抽真空之后将温度调节到50℃，经过24h干燥后取出；将经过干燥之后的粉体放入球磨机中，以120r/min的转速球磨2h，制备得到高熵合金粉体筛分后取出待用；

3)复合材料致密化：将20wt％的步骤2)得到的高熵合金粉体与80wt％的6061铝合金粉体置于球磨罐中进行机械混粉；对复合材料粉末进行挤压成型；进行冷压，得到直径为13.5mm和高度23mm的锭坯，然后进行热挤压，挤压温度为450℃，挤压比为11.4，最终得到直径为4mm，长度为135mm的高熵合金增强铝基复合材料。