CN113957294A - 一种CrCoNi中熵合金增强Al基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CrCoNi中熵合金增强Al基复合材料及其制备方法。本发明针对颗粒增强Al基复合材料可塑性和韧性较差这一短板，提出采用具有高硬度、高强度、优异塑性的中熵合金CrCoNi颗粒作为增强相，旨在制备出兼具高强度和高韧性的新型Al基复合材料。本发明的复合材料突破了传统颗粒增强相会显著降低Al基复合材料塑性这一瓶颈，利用金属间天然的结合特性，达到理想的界面结合度和相容性，在不严重损害基体材料塑韧性的基础上，提高其强度，获得了较好综合力学性能的Al基复合材料，具有极其广阔的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明属于Al基复合材料领域，具体涉及一种CrCoNi中熵合金增强Al基复合材料及其制备方法。
背景技术
Al是一种轻金属，具有良好的导电导热性和延展性，因为其密度低，已成为实现交通运输，航天航空以及国防科技等领域可持续发展轻量化战略所需的关键材料之一。但随着科学技术的发展，单一轻质金属材料很难满足工程应用中高强高韧等综合力学性能要求。Al(铝)基复合材料由于密度小，比强度及比模量高，抗疲劳性好，韧性及抗冲击性高，热膨胀系数低，耐磨性好等特点被广泛应用于各类工业领域。其中，高性能颗粒增强Al基复合材料更是成为交通运输、航天航空等领域实现轻量化的关键零部件用材料之一。制备成本较低，成型性好的颗粒增强Al基复合材料更是备受关注。相比于纤维增强相，颗粒增强相有效地减少了增强体的损伤度和分布不均匀程度，且均匀分布的增强体可以起到弥散强化的作用，使得Al基复合材料具有各向同性的高强度和高刚度。目前常见的颗粒增强相有陶瓷颗粒、石墨颗粒以及非晶合金颗粒。陶瓷颗粒如SiC、A12O3、TiC、TiB2、WC等在作为强化相时，具有明显缺点。一方面，物理化学性质稳定的陶瓷颗粒相与基体金属之间润湿性较差，界面结合力较低，加工过程中易在材料内部生成缺陷，是后续材料承载时裂纹源的高产区，降低了材料的受载能力，使材料断裂失效。另一方面，强度和硬度较高的陶瓷颗粒与Al基之间的塑性变形能力和热膨胀系数相差较大，在界面处易导致应力集中，造成界面开裂，降低复合材料的塑性和断裂韧性，会恶化材料的加工成型性能。使用非晶颗粒作为强化相时，由于非晶相不稳定，其易在高温扩散时产生严重的界面反应，在界面处生成脆性相或脆性层，破坏复合材料的界面均匀性，使其容易在界面处发生断裂。此外，同为金属的非晶合金颗粒虽然与Al基具有较好的润湿性，但与陶瓷颗粒一样，都是脆性相。因此，为了克服颗粒增强Al基复合材料强度与韧性不可兼得这一瓶颈，迫切需要开发新型增强体，用于制备高性能颗粒增强Al基复合材料。
高熵、中熵合金因其具有高硬度、高强度、优异的塑性以及耐磨性等优异性能，引起了国内外研究人员和工程技术人员的极大兴趣，但把中熵合金CrCoNi作为Al基复合材料增强体的研究未见报道。
发明内容
本发明针对现有Al基复合材料强度得以提高的同时会明显损害其塑韧性这一瓶颈，目的在于提供一种具有优良强韧性匹配度、服役可靠性强的CrCoNi中熵合金增强Al基复合材料及其制备方法，从而促进Al材工业及其相应应用领域的发展。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种CrCoNi中熵合金增强Al基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)复合粉体制备：将Al粉和中熵合金通过湿磨工艺混合，再通过真空抽滤方式获得复合粉体生坯；所述中熵合金为CrCoNi粉；
2)复合粉末烧结：采用烧结工艺对所述复合粉体生坯进行烧结成型；
3)复合材料热轧成型：采用热轧工艺对烧结后的复合材料进行后塑性变形，制得CrCoNi中熵合金增强Al基复合材料。
优选的，步骤1)所述中熵合金为等原子比CrCoNi粉。
优选的，步骤1)所述Al粉与CrCoNi粉的配料质量百分比含量为：Al粉80～95％，CrCoNi粉5～20％。
优选的，步骤1)所述Al粉和CrCoNi粉分别球磨成片状后再混合。
优选的，所述Al粉和CrCoNi粉球磨是在氩气保护气氛下进行，球磨机转速为300～400转/分钟，球磨时间为3～4小时，球料比为5:1～20:1。
优选的，步骤1)所述湿磨工序混合是以无水乙醇为球磨介质进行，球磨机转速为300～500转/分钟，球料比为5:1～8:1，球磨时间为4h～8h。
优选的，步骤2)所述烧结为放电等离子烧结、普通热压烧结或热等静压烧结。
优选的，所述放电等离子烧结工序参数如下：烧结温度500～610℃，烧结压力20～40MPa，烧结时间为30min，烧结气氛为真空烧结。
优选的，步骤3)所述热轧工艺参数如下：热轧保温温度450～550℃，轧下量30～50％。
由以上所述的制备方法制得的一种CrCoNi中熵合金增强Al基复合材料。
本发明将CrCoNi合金颗粒作为Al基复合材料的增强相，利用金属之间的自然结合特性，在增强体与基体之间形成冶金结合界面，不仅能极大地提高Al基的强度，而且能够发挥中熵CrCoNi合金优异的协调变形能力，使材料获得优良的强度和塑韧性匹配。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明所采用的CrCoNi中熵合金颗粒具有高强韧性，协调变形能力强，易与Al基体形成有限扩散冶金结合界面。
(2)本发明可通过常规球磨、液相混合球磨以及真空抽滤达到预期的增强体片状形貌以及在Al粉中的均匀分布，制备方式简便，设备要求较低。
(3)本发明的CrCoNi中熵合金和Al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中熵合金与Al基之间金属天然的结合特性，本发明的复合材料不仅具有与纯Al相当的塑韧性，并具有显著提高的强度，表现出优异的强度塑性匹配的综合力学性能。
(5)本发明的CrCoNi中熵合金增强Al基复合材料改善了增强体与基体界面结合弱，提高强度的同时避免了材料塑韧性的显著降低。
附图说明
图1为实施例1制备的5wt.％CrCoNi增强Al基复合材料的扫描电镜图片。
图2为实施例2制备的10wt.％CrCoNi增强Al基复合材料的扫描电镜图片。
图3为实施例3制备的CrCoNi增强Al基复合材料的元素分布表征结果图。
图4为实施例3制备的CrCoNi增强Al基复合材料中跨界面区域能谱线扫结构图。
图5为实施例1制备的5wt.％CrCoNi增强Al基复合材料的力学性能图。
图6为实施例2制备的10wt.％CrCoNi增强Al基复合材料的力学性能图。
具体实施方式
以下结合实例与附图对本发明的具体实施作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
制备CrCoNi中熵合金增强Al基复合材料，所用原料为95wt.％球形纯Al粉和5wt.％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300r/min的转速、球磨时间3h、球料比8:1的球磨参数将Al粉预磨成片状Al粉，采用400r/min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Al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300r/min、球料比5:1、球磨时间4h，然后在室温下真空抽滤成复合粉末生坯。再将生坯在放电等离子烧结炉中于600℃烧结30min，烧结时施加的机械压力为40MPa，保护气氛为真空。最后，将烧结后的复合材料在450℃保温1h后热轧，轧制压下量为50％，获得CrCoNi中熵合金增强Al基片状复合材料。所制备的CrCoNi层状颗粒增强Al基复合材料的压缩屈服强度为239.67MPa。
由图1和图5可知，本实施例制备的复合材料中CrCoNi增强相颗粒呈片状均匀分布，复合材料具有良好的强韧性匹配。
实施例2
制备CrCoNi中熵合金增强Al基复合材料，所用原料为90wt.％球形纯Al粉和10wt.％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300r/min的转速、球磨时间3h、球料比8:1的球磨参数将Al粉预磨成片状Al粉，采用400r/min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Al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300r/min、球料比5:1、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610℃烧结30min，烧结时施加的机械压力为40MPa，保护气氛为真空。最后，将烧结后的复合材料在480℃保温1h后热轧，轧制压下量为50％，获得CrCoNi中熵合金增强Al基复合材料。所制备的CrCoNi层状颗粒增强Al基复合材料的压缩屈服强度为292.24MPa。
由图2和图6可知，复合材料中具有更高含量的CrCoNi增强相颗粒均呈片状均匀分布，复合材料具有良好的强韧性匹配。
实施例3
制备CrCoNi中熵合金增强Al基片状复合材料，所用原料为85wt.％球形纯Al粉和15wt.％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300r/min的转速、球磨时间3h、球料比8:1的球磨参数将Al粉预磨成片状Al粉，采用400r/min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Al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300r/min、球料比5:1、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600℃烧结30min，烧结时施加的机械压力为40MPa，保护气氛为真空。最后，将烧结后的复合材料在450℃保温1h后热轧，轧制压下量为50％，获得CrCoNi中熵合金增强Al基片状复合材料。所制备的CrCoNi层状颗粒增强Al基复合材料的压缩屈服强度为365.66MPa。
由图3和图4可知，复合材料中Al基体和CrCoNi增强相颗粒颗粒间发生了有限的元素互扩散，两者具有良好的界面结合。
实施例4
制备CrCoNi中熵合金增强Al基片状复合材料，所用原料为80wt.％球形纯Al粉和20wt.％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300r/min的转速、球磨时间3h、球料比8:1的球磨参数将Al粉预磨成片状Al粉，采用400r/min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Al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300r/min、球料比5:1、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600℃烧结30min，烧结时施加的机械压力为40MPa，保护气氛为真空。最后，将烧结后的复合材料在450℃保温1h后热轧，轧制压下量为50％，获得CrCoNi中熵合金增强Al基片状复合材料。所制备的CrCoNi层状颗粒增强Al基复合材料的压缩屈服强度为519.77MPa。
以上实施例仅为说明本发明所做的部分具体实例，本发明内容并不局限于上述实施例。科学研究与工程技术人员在本发明实施例基础上做出基体粉末成分调控、复合粉末制备工艺、烧结工艺、轧制工艺等参数调整，由此所引起的变动均属于本发明的权限保护范围之内。
Claims (10)
1.一种CrCoNi中熵合金增强Al基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将Al粉和中熵合金通过湿磨工艺混合，再通过真空抽滤方式获得复合粉体生坯；所述中熵合金为CrCoNi粉；
2)采用烧结工艺对所述复合粉体生坯进行烧结成型；
3)采用热轧工艺对烧结后的复合材料进行后塑性变形，制得CrCoNi中熵合金增强Al基复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述中熵合金为等原子比CrCoNi粉。
3.根据权利要求1-2任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述Al粉与CrCoNi粉的配料质量百分比含量为：Al粉80～95％，CrCoNi粉5～20％。
4.根据权利要求1-2任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述Al粉和CrCoNi粉分别球磨成片状后再混合。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述Al粉和CrCoNi粉球磨是在氩气保护气氛下进行，球磨机转速为300～400转/分钟，球磨时间为3～4小时，球料比为5:1～20:1。
6.根据权利要求1-2任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述湿磨工序混合是以无水乙醇为球磨介质进行，球磨机转速为300～500转/分钟，球料比为5:1～8:1，球磨时间为4h～8h。
7.根据权利要求1-2任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤2)所述烧结为放电等离子烧结、普通热压烧结或热等静压烧结。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述放电等离子烧结工序参数如下：烧结温度500～610℃，烧结压力20～40MPa，烧结时间为30min，烧结气氛为真空烧结。
9.根据权利要求1-2任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤3)所述热轧工艺参数如下：热轧保温温度450～550℃，轧下量30～50％。
10.由权利要求1-9任一项所述的制备方法制得的一种CrCoNi中熵合金增强Al基复合材料。
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| CN202111066166.XA Pending CN113957294A (zh) | 2021-09-13 | 2021-09-13 | 一种CrCoNi中熵合金增强Al基复合材料及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113957294A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115194140A (zh) * | 2022-07-17 | 2022-10-18 | 中国人民解放军陆军装甲兵学院 | Al-Mg-Sc-Zr系铝基复合粉末及其制备方法和应用 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104862510A (zh) * | 2015-06-03 | 2015-08-26 | 华中科技大学 | 一种高熵合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 |
| CN109913716A (zh) * | 2019-04-03 | 2019-06-21 | 北京科技大学 | 一种铝基轻质中熵合金的制备及轧制工艺方法 |
| CN110273092A (zh) * | 2019-08-01 | 2019-09-24 | 重庆大学 | 一种CoCrNi颗粒增强镁基复合材料及其制备方法 |
| CN110923523A (zh) * | 2019-11-13 | 2020-03-27 | 中南大学 | 一种同轴送粉激光增材修复专用7系铝合金配方及激光增材修复方法 |
| US20200123635A1 (en) * | 2018-10-18 | 2020-04-23 | University Of Science & Technology Beijing | 1 gpa high-strength high-modulus aluminum-based light medium-entropy alloy and preparation method thereof |
| CN112126822A (zh) * | 2020-08-31 | 2020-12-25 | 江苏大学 | 一种轧制(FeCoNiCrRn/Al)-2024Al复合板材及其制备方法 |
-
2021
- 2021-09-13 CN CN202111066166.XA patent/CN113957294A/zh active Pending
Patent Citations (6)
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