一種高熵合金增強的鋁基復合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于復合材料【技術(shù)領(lǐng)域】，公開了一種高熵合金增強的鋁基復合材料及其制備方法。所述復合材料以高熵合金為增強相，以鋁合金為基體，其制備方法為：將高熵合金顆粒和鋁合金粉末裝進球磨罐中并密封，混粉5～25h得到混合物料，將混合物料裝進包套，在室溫下施加壓力為5～15MPa，把包套內(nèi)的混合物料壓實成坯料，將壓實后的坯料放到熱擠壓設(shè)備中，預熱坯料至400～480℃，預熱模具至200～400℃，坯料及模具保溫1～3h預熱完成，然后在擠壓壓力為5～15MPa，擠壓比為4～25的條件下熱擠壓成型，得到高熵合金增強的鋁基復合材料。
【專利說明】 一種高熵合金增強的鋁基復合材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于復合材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種高熵合金增強的鋁基復合材料及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]顆粒增強鋁基復合材料具有高比強度、高比模量、耐磨性及尺寸穩(wěn)定好等優(yōu)異的性能。作為一種新型的結(jié)構(gòu)與功能材料，在航空航天、軍工、電子、儀表儀器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，由于顆粒增強鋁基復合材料塑性和韌性較差，這限制了其在結(jié)構(gòu)材料方面的應(yīng)用。如何提高其塑性和韌性，一直是研究者追求的目標。
[0003]一直以來，關(guān)于顆粒增強鋁基復合材料設(shè)計與制備工藝方面的研究較為深入，主要涉及增強相選擇、增強相與基體合金界面設(shè)計及相應(yīng)的制備工藝設(shè)計等方面。采用高強高硬的陶瓷顆粒增強鋁合金是最常見的做法，如SiC顆粒、A1203顆粒和Si02顆粒等，且獲得了產(chǎn)業(yè)化。雖然陶瓷增強相可以極大提高鋁合金基體的強度，但是會導致其韌性和塑性急劇降低。為了獲得良好的綜合性能(高強度、高塑性)，通常會限制陶瓷增強相的含量(陶瓷增強相的含量不會超過25% )。這又會帶來另一方面的問題，即顆粒分布不均勻，容易形成團聚和裂紋源。在制備工藝方面，壓鑄工藝和壓力浸滲工藝是復合材料成型過程中使用最廣泛的。上述工藝中鋁液溫度較高，陶瓷增強相與鋁合金基體界面反應(yīng)嚴重，加之陶瓷增強相與鋁合金的界面潤濕性差，導致其界面結(jié)合強度低。為了提高二者之間的界面結(jié)合強度，一般需要對陶瓷增強相和金屬基體進行改性處理，這進一步增加了制備過程的復雜性與成本。因此，合適的增強相材料與制備工藝成為決定顆粒增強型鋁基復合材料強度和塑性的關(guān)鍵。
[0004]傳統(tǒng)的合金體系均以一種或兩種元素為主要組元，合金的晶體結(jié)構(gòu)、性能等均受制于主要元素。上世紀90年代中期，中國臺灣學者葉均蔚教授率先打破傳統(tǒng)合金的設(shè)計理念，采用多種主要元素設(shè)計合金，即多主元高熵合金。由于其獨特的顯微結(jié)構(gòu)特征，使得高熵合金具有高硬度、高強度、耐磨、耐腐蝕、高溫熱穩(wěn)定以及特殊的磁、電性能等眾多優(yōu)異性能。源于金屬-金屬間天然的界面結(jié)合特性，高熵合金與鋁合金基體間的界面潤濕性與界面相容性好。若能采用高熵合金作為增強相來增強增韌鋁合金，將突破傳統(tǒng)陶瓷增強相增強與增韌的瓶頸，實現(xiàn)材料強度和塑性的同時提升。然而，迄今為止尚無采用高熵合金粉體增強相制備高強韌鋁基復合材料的文獻報道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足之處，本發(fā)明的首要目的在于提供一種高熵合金增強的鋁基復合材料。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供上述鋁基復合材料的制備方法。
[0007]本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0008]一種高熵合金增強的鋁基復合材料，所述復合材料以高熵合金為增強相，以鋁合金為基體。
[0009]所述的高熵合金的體積分數(shù)為5%?35%，鋁合金的體積分數(shù)為65%?95%。
[0010]所述的高熵合金優(yōu)選AlCrFeNiCoTi系、AlCrFeNiCoCu系或AlCrFeNiCo系高熵合金。
[0011]所述招合金優(yōu)選2xxx系、5xxx系、6xxx系、7xxx系招合金或Al-Li合金。
[0012]上述高熵合金增強的鋁基復合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0013](I)混粉:將高熵合金顆粒和鋁合金粉末裝進球磨罐中并密封，混粉5?25h得到混合物料；
[0014](2)包套制坯:將混合物料裝進包套，在室溫下施加壓力為5?15MPa，把包套內(nèi)的混合物料壓實成坯料；
[0015](3)熱擠壓成型:將壓實后的坯料放到熱擠壓設(shè)備中，預熱坯料至400?480°C，預熱模具至200?400°C，坯料及模具保溫I?3h預熱完成，然后在擠壓壓力為5?15MPa，擠壓比為4?25的條件下熱擠壓成型，得到高熵合金增強的鋁基復合材料。
[0016]步驟(3)中所述的擠壓壓力為10?15MPa，擠壓比為16?25。
[0017]步驟(3)中所述的擠壓壓力為5?9MPa，擠壓比為4?9。
[0018]本發(fā)明制備方法的原理為:金屬基復合材料都是在基體合金熔點附近的高溫下制備。在制備過程中，顆粒增強體與基體將發(fā)生不同程度的相互作用和界面反應(yīng)，形成各種結(jié)構(gòu)的界面。本發(fā)明涉及的復合材料制備工藝溫度較低(低于固相線)，從而避免了不利界面化學反應(yīng)的發(fā)生和脆性相的形成，加之復合材料中高熵合金增強相與鋁合金基體可以形成原子半共格的物理結(jié)合型界面，在增強基體合金的同時，還可以獲得較好的塑性和韌性。
[0019]本發(fā)明的材料及制備方法具有如下優(yōu)點及有益效果:
[0020](I)本發(fā)明的復合材料界面特征為:高熵合金粉末與鋁合金基體可以形成物理結(jié)合型界面，界面結(jié)合強度高，界面狀態(tài)好；
[0021](2)本發(fā)明的制備工藝可以獲得顆粒分布均勻、致密，高強度、高硬度和高延伸率的復合材料；
[0022](3)本發(fā)明的制備工藝溫度低，且高熵合金粉體表面不需要進行化學處理和清洗，工藝簡單，成本低，穩(wěn)定性好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為實施例1制備的10%高熵合金/7075A1的金相照片；
[0024]圖2為實施例2制備的20%高熵合金/7075A1的金相照片；
[0025]圖3為實施例1和實施例2制備的10%和20%高熵合金/7075A1的硬度值對比圖。

【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0027]實施例1
[0028](I)混粉:增強相選用AlCrFeNiCoTi系高熵合金顆粒，成分為A10.25CrFeNiCoT1.75，平均粒徑為30 μ m，體積分數(shù)為10%。本例中高熵合金顆粒采用機械合金化工藝制備，采用行星式球磨機進行機械合金化，轉(zhuǎn)速> 250rpm，球磨時間為50小時，球料比為15:1。鋁合金基體選用7XXX系合金中的7075A1，其體積分數(shù)為90% ;用電子天平稱量出相應(yīng)重量的高熵合金顆粒和鋁合金粉末，將其裝進球磨罐中并密封，隨后用普通干混方法混粉1h ；
[0029](2)包套制坯:將混粉完成后的A10.25CrFeNiCoT1.75高熵合金顆粒和7075A1粉末裝進鋁合金包套，在室溫下用快速油壓機把包套內(nèi)的粉末壓實成坯料，施加壓力為12MPa，使包套內(nèi)部填滿粉末并進行密封包裝；
[0030](3)熱擠壓成型:將耐熱鋼擠壓嘴和裝有坯料的鋁合金包套放進電阻爐中預熱至4700C，模具預熱至350°C，保溫3h，預熱完成后，把擠壓嘴放置于模具內(nèi)部，接著把鋁合金包套放置于擠壓嘴上部，隨后合模加壓進行熱擠壓成型，擠壓參數(shù)為:擠壓壓力為12MPa，擠壓比為16，熱擠壓完成后，截取棒料并整形，獲得高熵合金增強的鋁基復合材料。
[0031]本實施例的高熵合金增強的鋁基復合材料的金相照片如圖1所示，可以看出，10%顆粒增強鋁基復合材料中高熵合金顆粒分布均勻、致密，沒有出現(xiàn)顆粒團聚現(xiàn)象。經(jīng)過室溫單向拉伸試驗測試，本實施例的高熵合金增強的鋁基復合材料的極限抗拉強度值為345MPa，延伸率為5.4%，硬度測試結(jié)果如圖3所示。
[0032]實施例2
[0033](I)混粉:增強相選用AlCrFeNiCoTi系高熵合金顆粒，高熵合金的具體成分為A10.25CrFeNiCoT1.75，平均粒徑為30 μ m，體積分數(shù)為20%。本例中高熵合金顆粒采用機械合金化工藝制備，采用行星式球磨機進行機械合金化，轉(zhuǎn)速> 250rpm，球磨時間為50小時，球料比為15:1。鋁合金基體選用7XXX系合金中的7075A1，其體積分數(shù)為80% ;用電子天平稱量出相應(yīng)重量的高熵合金顆粒和鋁合金粉末，將其裝進球磨罐中并密封，隨后用普通干混方法混粉15h ；
[0034](2)包套制坯:將混粉完成后的A10.25CrFeNiCoT1.75高熵合金顆粒和7075A1粉末裝進鋁合金包套，在室溫下用快速油壓機把包套內(nèi)的粉末壓實成坯料，施加壓力為14MPa，使包套內(nèi)部填滿粉末并進行密封包裝；
[0035](3)熱擠壓成型:將耐熱鋼擠壓嘴和裝有坯料的鋁合金包套放進電阻爐中預熱至4800C，模具預熱至380°C，保溫3h，預熱完成后，把擠壓嘴放置于模具內(nèi)部，接著把鋁合金包套放置于擠壓嘴上部，隨后合模加壓進行熱擠壓成型，擠壓參數(shù)為:擠壓壓力為14MPa，擠壓比為25，熱擠壓完成后，截取棒料并整形，獲得高熵合金增強的鋁基復合材料。
[0036]本實施例的高熵合金增強的鋁基復合材料的金相照片如圖2所示，可以看出，20%顆粒增強鋁基復合材料中高熵合金顆粒分布均勻、致密，沒有出現(xiàn)顆粒團聚現(xiàn)象。經(jīng)過室溫單向拉伸試驗測試，本實施例的高熵合金增強的鋁基復合材料的極限抗拉強度值為387MPa，延伸率為3.6%，其硬度值如圖3所示。
[0037]實施例3
[0038](I)混粉:增強相選用AlCrFeNiCoTi系高熵合金顆粒，高熵合金的具體成分為A10.5CrFeNiCoT1.5，平均粒徑為30 μ m,體積分數(shù)為25%。本例中高熵合金顆粒采用機械合金化工藝制備，采用行星式球磨機進行機械合金化，轉(zhuǎn)速> 250rpm，球磨時間為50小時，球料比為15:1。鋁合金基體選用6xxx系合金中的6061A1，其體積分數(shù)為75% ;用電子天平稱量出相應(yīng)重量的高熵合金顆粒和鋁合金粉末，將其裝進球磨罐中并密封，隨后用普通干混方法混粉12h ；
[0039](2)包套制坯:將混粉完成后的A10.5CrFeNiCoT1.5高熵合金顆粒和6061A1粉末裝進鋁合金包套，在室溫下用快速油壓機把包套內(nèi)的粉末壓實成坯料，施加壓力為lOMPa，使包套內(nèi)部填滿粉末并進行密封包裝；
[0040](3)熱擠壓成型:將耐熱鋼擠壓嘴和裝有坯料的鋁合金包套放進電阻爐中預熱至450°C，模具預熱至30(TC，保溫2h，預熱完成后，把擠壓嘴放置于模具內(nèi)部，接著把鋁合金包套放置于擠壓嘴上部，隨后合模加壓進行熱擠壓成型，擠壓參數(shù)為:擠壓壓力為9MPa，擠壓比為9，熱擠壓完成后，截取棒料并整形，獲得高熵合金增強的鋁基復合材料。經(jīng)過室溫單向拉伸試驗測試，本實施例的高熵合金增強的鋁基復合材料的極限抗拉強度值為415MPa，延伸率為3.3%，其布氏硬度值為160HB。
[0041]實施例4
[0042](1)混粉:增強相選用AlCrFeNiCoCu系高熵合金顆粒，高熵合金的具體成分為A10.5CrFeNiCoCu0.5，平均粒徑為30 μ m，體積分數(shù)為5%。本例中高熵合金顆粒采用機械合金化工藝制備，采用行星式球磨機進行機械合金化，轉(zhuǎn)速> 250rpm，球磨時間為50小時，球料比為15:1。鋁合金基體選用2xxx系合金中的2024A1，其體積分數(shù)為95% ;用電子天平稱量出相應(yīng)重量的高熵合金顆粒和鋁合金粉末，將其裝進球磨罐中并密封，隨后用普通干混方法混粉5h ；
[0043](2)包套制坯:將混粉完成后的A10.5CrFeNiCoCu0.5高熵合金顆粒和2024A1粉末裝進鋁合金包套，在室溫下用快速油壓機把包套內(nèi)的粉末壓實成坯料，施加壓力為5MPa，使包套內(nèi)部填滿粉末并進行密封包裝；
[0044](3)熱擠壓成型:將耐熱鋼擠壓嘴和裝有坯料的鋁合金包套放進電阻爐中預熱至400°C，模具預熱至20(TC，保溫3h。預熱完成后，把擠壓嘴放置于模具內(nèi)部，接著把鋁合金包套放置于擠壓嘴上部，隨后合模加壓進行熱擠壓成型，擠壓參數(shù)為:擠壓壓力為13MPa，擠壓比為4，熱擠壓完成后，截取棒料并整形，獲得高熵合金增強的鋁基復合材料。經(jīng)過室溫單向拉伸試驗測試，本實施例的高熵合金增強的鋁基復合材料的極限抗拉強度值為311MPa，延伸率為7.3%，其布氏硬度值為122HB。
[0045]實施例5
[0046](1)混粉:增強相選用AlCrFeNiCoCu系高熵合金顆粒，高熵合金的具體成分為A10.25CrFeNiCoCu0.75，平均粒徑為30 μ m,體積分數(shù)為15%。本例中高熵合金顆粒采用機械合金化工藝制備，采用行星式球磨機進行機械合金化，轉(zhuǎn)速> 250rpm，球磨時間為50小時，球料比為15:1。鋁合金基體選用Al-Li合金，其體積分數(shù)為95%;用電子天平稱量出相應(yīng)重量的高熵合金顆粒和鋁合金粉末，將其裝進球磨罐中并密封，隨后用普通干混方法混粉 15h ；
[0047](2)包套制坯:將混粉完成后的A10.25CrFeNiCoCu0.75高熵合金顆粒和Al_Li合金粉末裝進鋁合金包套，在室溫下用快速油壓機把包套內(nèi)的粉末壓實成坯料，施加壓力為15MPa，使包套內(nèi)部填滿粉末并進行密封包裝；
[0048](3)熱擠壓成型:將耐熱鋼擠壓嘴和裝有坯料的鋁合金包套放進電阻爐中預熱至480°C，模具預熱至400°C，保溫3h。預熱完成后，把擠壓嘴放置于模具內(nèi)部，接著把鋁合金包套放置于擠壓嘴上部，隨后合模加壓進行熱擠壓成型，擠壓參數(shù)為:擠壓壓力為15MPa，擠壓比為25，熱擠壓完成后，截取棒料并整形，獲得高熵合金增強的鋁基復合材料。經(jīng)過室溫單向拉伸試驗測試，本實施例的高熵合金增強的鋁基復合材料的極限抗拉強度值為331MPa，延伸率為5.8%，其布氏硬度值為139HB。
[0049]實施例6
[0050](I)混粉:增強相選用AlCrFeNiCo系高熵合金顆粒，高熵合金的具體成分為A10.5Cr0.5FeNiCo，平均粒徑為30 μ m,體積分數(shù)為35%。本例中高熵合金顆粒采用機械合金化工藝制備，采用行星式球磨機進行機械合金化，轉(zhuǎn)速> 250rpm，球磨時間為50小時，球料比為15:1。鋁合金基體選用5xxx系合金中的5A06A1，其體積分數(shù)為65% ;用電子天平稱量出相應(yīng)重量的高熵合金顆粒和鋁合金粉末，將其裝進球磨罐中并密封，隨后用普通干混方法混粉1h ；
[0051](2)包套制坯:將混粉完成后的A10.5Cr0.5FeNiCo高熵合金顆粒和Al-Li合金粉末裝進鋁合金包套，在室溫下用快速油壓機把包套內(nèi)的粉末壓實成坯料，施加壓力為8MPa，使包套內(nèi)部填滿粉末并進行密封包裝；
[0052](3)熱擠壓成型:將耐熱鋼擠壓嘴和裝有坯料的鋁合金包套放進電阻爐中預熱至420°C，模具預熱至250°C，保溫1.5h。預熱完成后，把擠壓嘴放置于模具內(nèi)部，接著把鋁合金包套放置于擠壓嘴上部，隨后合模加壓進行熱擠壓成型，擠壓參數(shù)為:擠壓壓力為7MPa，擠壓比為9，熱擠壓完成后，截取棒料并整形，獲得高熵合金增強的鋁基復合材料。經(jīng)過室溫單向拉伸試驗測試，本實施例的高熵合金增強的鋁基復合材料的極限抗拉強度值為475MPa，延伸率為2.7%，其布氏硬度值為178HB。
[0053]上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其它的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高熵合金增強的鋁基復合材料，其特征在于:所述復合材料以高熵合金為增強相，以招合金為基體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高熵合金增強的鋁基復合材料，其特征在于:所述的高熵合金的體積分數(shù)為5%?35%，鋁合金的體積分數(shù)為65%?95%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高熵合金增強的鋁基復合材料，其特征在于:所述的高熵合金是指AlCrFeNiCoTi系、AlCrFeNiCoCu系或AlCrFeNiCo系高熵合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高熵合金增強的鋁基復合材料，其特征在于:所述鋁合金是指2xxx系、5xxx系、6xxx系、7xxx系招合金或Al-Li合金。
5.權(quán)利要求1?4任一項所述的一種高熵合金增強的鋁基復合材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟: (1)混粉:將高熵合金顆粒和鋁合金粉末裝進球磨罐中并密封，混粉5?25h得到混合物料； (2)包套制坯:將混合物料裝進包套，在室溫下施加壓力為5?15MPa，把包套內(nèi)的混合物料壓實成坯料； (3)熱擠壓成型:將壓實后的坯料放到熱擠壓設(shè)備中，預熱坯料至400?480°C，預熱模具至200?400°C，坯料及模具保溫I?3h預熱完成，然后在擠壓壓力為5?15MPa，擠壓比為4?25的條件下熱擠壓成型，得到高熵合金增強的鋁基復合材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高熵合金增強的鋁基復合材料的制備方法，其特征在于:步驟⑶中所述的擠壓壓力為10?15MPa，擠壓比為16?25。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高熵合金增強的鋁基復合材料的制備方法，其特征在于:步驟⑶中所述的擠壓壓力為5?9MPa，擠壓比為4?9。
【文檔編號】C22C21/00GK104388764SQ201410621549
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月6日
【發(fā)明者】朱德智, 陳奇, 丁霞 申請人:華南理工大學