一种高熵合金增强的2024铝基复合材料及其制备方法与流程

本发明属于铝基复合材料领域，具体涉及一种高熵合金增强的2024铝基复合材料及其制备方法。

背景技术：

现今，随着航空、航天、电子、通信等技术以及机械、化工、能源等工业的发展，人们对材料的性能要求越来越高。金属基复合材料(mmc)是以纯金属或合金为基体，通过增强体的加入改变原有基体性能的复合材料。一般来讲，铝基复合材料常用的基体有al-si、al-cu等体系，增强体主要有sic颗粒、bc4颗粒、tic颗粒等。

但是，陶瓷增强相虽然具有密度小、硬度强度高的优点，然而陶瓷颗粒与铝合金基体界面润湿性差，使陶瓷增强铝基复合材料的应用受到了一定的限制。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高熵合金增强的2024铝基复合材料及其制备方法，以解决复合材料第二项增强颗粒与基体金属间润湿性差的问题，并同时提高基体金属力学性能。

本发明采用以下技术方案：一种高熵合金增强的2024铝基复合材料，由alxcocrfeni高熵合金和2024铝基体组成，alxcocrfeni高熵合金的体积分数为5～20vol％，其余为2024铝基体。

进一步的，alxcocrfeni高熵合金中al、co、cr、fe和ni元素的原子比为(0.2～1)：1:1:1:1。

本发明的另一种技术方案：一种高熵合金增强的2024铝基复合材料制备方法，由以下步骤完成：

按照预设体积份数配取alxcocrfeni高熵合金颗粒和2024铝基体粉末，并对混合物进行球磨混合；

将球磨混合后的粉末装入模具中预压成型，将预压成型后的粉末胚体进行放电等离子烧结，烧结完毕后，烧结样品随炉冷却至室温，得到2024铝基复合材料。

进一步的，alxcocrfeni高熵合金颗粒为球状颗粒，粒径≤90μm，且其中al、co、cr、fe和ni元素的原子比为(0.2～1)：1:1:1:1。

进一步的，放电等离子烧结的具体方法为：

将预压成型后的粉末胚体放入等离子烧结系统炉膛中，抽真空直至炉膛内真空度至＜6pa，接通氩气，设置直流脉冲电流，对粉末胚体进行烧结；

烧结参数具体为：烧结压力为20～30mpa，烧结温度500～600℃，升温速度为100℃/min，保温时间5min；

当烧结温度≥500℃时，升温速度为20℃/min。

进一步的，alxcocrfeni高熵合金在粉末胚体中的预设体积份数为5～20vol％。

进一步的，球磨活化中采用不锈钢球磨罐，磨球为玛瑙球，转速180～380r/min，球料比5:1，球磨时间6～10h。

进一步的，模具为高纯石墨模具，且其容腔中垫有石墨碳纸。

本发明的有益效果是：本发明用放电等离子烧结制备alxcocrfeni高熵合金来增强2024铝合金，来制备出一种新型双金属复合材料，该复合材料克服了以往陶瓷增强金属基复合材料中二者润湿性差的问题，同时通过高熵合金本身优异的多项效应与性能，可以促进铝基复合材料在航空、航天、电子、通信等技术以及机械、化工、能源等工业的应用。

【附图说明】

图1为本发明实施例中采用的粒径80μm的alcocrfeni高熵合金颗粒；

图2为本发明实施例中al0.2fecrconi高熵合金颗粒与2024铝合金粉末球磨混粉6h后sem图；

图3为本发明实施例2中制备的alcocrfeni/2024al基复合材料sem图；

图4为本发明实施例4中结合界面的tem图。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

上个世纪九十年代，“多元高熵合金”概念的提出给铝基复合材料增强相带来了其它选择。高熵合金是由五种或五种以上的元素按照等原子比或接近于等原子比混合形成的单相固溶体。它的高熵效应、原子迟滞扩散效应、晶格畸变效应、鸡尾酒效应使高熵合金具有高硬度、高强度、韧性好、高温热稳定以及特殊的磁、电性能等众多优异性能。可见，高熵合金是一种比较理想的金属基复合材料增强相。alxcocrfeni系列高熵合金是目前高熵合金体系中研究比较充分的，不同al含量使得该高熵合金有着从fcc向bcc转变的不同相结构，这使得高熵合金的硬度、屈服强度都有较大改变。当选用alxcocrfeni系高熵合金作为2024铝合金基体的第二相增强颗粒时，既与金属基体存在良好的润湿性，又不会有过大的热膨胀系数，同时其本身所具有的优异性能也可以对2024铝基体做出提高。

本发明公开了一种高熵合金增强的2024铝基复合材料，由alxcocrfeni高熵合金和2024铝基体组成，alxcocrfeni高熵合金的体积分数为5～20vol％，其余为2024铝基体，即2024铝基体的体积分数为95～80vol％，其中，alxcocrfeni高熵合金中al、co、cr、fe和ni元素的原子比为(0.2～1)：1:1:1:1。

高熵合金的体积分数可在5-20％任意精确调控，高熵合金与2024铝基体粉末进行球磨混合为物理机械混合，可以使得高熵合金在2024铝合金粉末中均匀分布不易产生团聚现象，制备方法步骤少效率高，颗粒接触部位产生巨大的焦耳热使其熔化形成烧结颈完成颗粒间的融合，界面结合良好，从而实现粉末材料的致密化，同时采用sps(放电等离子烧结技术)制备复合材料时对金属粉末不需要进行表面改性处理。

本发明还公开了一种高熵合金增强的2024铝基复合材料制备方法，可以成功制备alxcocrfeni系高熵合金增强2024铝基复合材料，以2024铝合金粉末和高熵合金粉末为原料，其实施步骤为：按设计体积分数配取alxcocrfeni颗粒和2024铝合金粉末；球磨混粉；所得混合粉末装入模具进行预压；预压后放入放电等离子烧结设备中进行烧结，随炉冷却后得到高熵合金增强2024铝基复合材料，本发明制备工艺简单、生产周期短，第二相增强颗粒的大小和含量可控，能够用较低的烧结温度和较短的保温时间即可生产出具有高致密度和优异性能的复合材料。

本发明方法由以下步骤完成：

按照预设体积份数组分配取alxcocrfeni高熵合金颗粒和2024铝基体粉末，alxcocrfeni高熵合金采用雾化法制得，高熵合金颗粒在粉末胚体中的预设体积份数为5～20vol％，若大于该比例，得出的材料塑性急剧降低，不符合工业要求。alxcocrfeni高熵合金颗粒为球状粒，粒径≤90μm，且其中al、co、cr、fe和ni元素的原子比为(0.2～1)：1:1:1:1，由于不同原子比的高熵合金具有不同的晶体结构，其会对复合材料性能产生不同的影响，因此，可以根据需要选择不同原子比的高熵合金。

配比后，对混合物进行球磨混合，球磨混合中采用不锈钢球磨罐，磨球为玛瑙球，转速180～380r/min，球料比5:1，球磨时间6～10h。

将球磨混合后的粉末装入模具中进行预压成型，模具为高纯石墨模具，且其容腔中垫有石墨碳纸，石墨碳纸垫的厚度优选采用1mm。压制采用万能试验机即可。

将预压成型后的粉末胚体进行放电等离子烧结：

将预压成型后的粉末胚体及模具放入等离子烧结系统炉膛中，抽真空直至炉膛内真空度至＜6pa，向设备内接通氩气，设置直流脉冲电流，电流大小根据实际情况设定，对预压成型后的粉末胚体进行烧结。烧结参数具体为：烧结压力为20～30mpa，烧结温度500～600℃，升温速度为100℃/min，保温时间5min；当烧结温度≥500℃时，升温速度为20℃/min。通过保温5min，会使得刚刚烧结好的试样在保温保压的过程中更加致密，保温时间不能过长，因为在高温下保温时间过长会造成晶粒长大，降低材料的力学性能。烧结完毕后，烧结样品随炉冷却至室温，得到2024铝基合成的双金属复合材料。

本发明制备工艺简单、生产周期短，第二相增强颗粒的大小和含量可控，能够用较低的烧结温度和较短的保温时间即可生产出具有高致密度和优异性能的复合材料。

以下实施例中选用粒径为不大于90μm的alxcocrfeni系高熵合金颗粒及300目粒径的2024铝合金粉末制备而成。该高熵合金粉末采用雾化法制备，2024铝合金分购于湖南三六九冶金技术有限公司，所用放电等离子烧结炉为日本sinterlandinc.公司生产的labox-330放电等离子烧结系统，电流类型为直流脉冲电流。

对比例1

选取300目的2024铝合金粉末，将粉末装入石墨模具中进行sps烧结，烧结压力为30mpa，升温速率为100℃/min，直至温度为500℃后，调整升温速率为20℃/min至温度为540℃，保温5min，保温时间结束停止烧结，当温度冷却至室温时卸掉压力，取出模具进行脱模，得到致密的2024铝合金块体。

实施例1

如图1所示，选取晶体结构为fcc粒径为80μm的al0.2cocrfeni高熵合金粉末，按照体积分数5vol％与2024铝合金粉末在球磨机中混粉，磨球为玛瑙球，转速180r/min、球料比5:1、球磨时间6h，得到如图2所示的混合粉末。将混合粉末装入石墨模具中进行sps烧结，烧结压力为30mpa，升温速率为100℃/min，烧结温度为500℃，保温5min，保温时间结束停止烧结，当温度冷却至室温时卸掉压力，取出模具进行脱模，得到致密的5vol％al0.2fecrconi/2024铝基复合材料块体。

实施例2

选取晶体结构为fcc+bcc粒径为80μm的al0.6cocrfeni高熵合金粉末，按照体积分数10vol％与2024铝合金粉末在球磨机中混粉，采用不锈钢球磨罐，磨球为玛瑙球，转速250r/min、球料比5:1、球磨时间6h。将混合粉末装入石墨模具中进行sps烧结，烧结压力初始为20mpa，升温速率为100℃/min至500℃，随后升温速率为20℃/min至540℃，保温5min，保温时间结束停止烧结，当温度冷却至室温时卸掉压力，取出模具进行脱模，得到致密的10vol％al0.6fecrconi/2024铝基复合材料块体。如图3所示，通过放电等离子快速烧结制备的高熵合金增强2024铝基体复合材料块体的sem图可以看出试样表面孔洞非常少，试样十分致密，说明二者的润湿性良好。

实施例3

选取晶体结构为bcc粒径为80μm的alcocrfeni高熵合金粉末，按照体积分数10vol％与2024铝合金粉末在球磨机中混粉，采用不锈钢球磨罐，磨球为玛瑙球，转速380r/min、球料比5:1、球磨时间8h。将混合粉末装入石墨模具中进行sps烧结，烧结压力初始为20mpa，升温速率为100℃/min至500℃，随后升温速率为20℃/min至600℃，保温5min，保温时间结束停止烧结，当温度冷却至室温时卸掉压力，取出模具进行脱模，得到致密的10vol％alcocrfeni/2024铝基复合材料块体。

实施例4

选取晶体结构为bcc粒径为80μm的alcocrfeni高熵合金粉末，按照体积分数10vol％与2024铝合金粉末在球磨机中混粉，采用不锈钢球磨罐，磨球为玛瑙球，转速380r/min、球料比5:1、球磨时间6h。将混合粉末装入石墨模具中进行sps烧结，烧结压力初始为20mpa，升温速率为100℃/min至500℃，随后升温速率为20℃/min至600℃，保温5min，保温时间结束停止烧结，当温度冷却至室温时卸掉压力，取出模具进行脱模，得到致密的10vol％alcocrfeni/2024铝基复合材料块体。如图4所示，通过放电等离子快速烧结制备的复合材料块体的tem图可以看出高熵合金与2024铝基体之间的结合界面紧实干净无脆性相生成，进一步说明了复合材料的力学性能良好，润湿性良好。

实施例5

选取晶体结构为bcc粒径为80μm的alcocrfeni高熵合金粉末，按照体积分数20vol％与2024铝合金粉末在球磨机中混粉，采用不锈钢球磨罐，磨球为玛瑙球，转速380r/min、球料比5:1、球磨时间10h。将混合粉末装入石墨模具中进行sps烧结，烧结压力初始为20mpa，升温速率为100℃/min至500℃，随后升温速率为20℃/min至600℃，保温5min，保温时间结束停止烧结，当温度冷却至室温时卸掉压力，取出模具进行脱模，得到致密的20vol％alcocrfeni/2024铝基复合材料块体。

根据对比例1和实施例1-5可得表1，为制得的各产品的致密度和硬度参数，通过表1可知：随着实施例从1到5即第二相高熵合金颗粒体积分数的增加可看出复合材料的致密度逐渐下降，硬度逐渐升高；实施例相比对比例，其硬度均显著提高，且证明润湿性好。

表1