一种铝基非晶/高熵合金复合材料及制备方法

文档序号:8934829阅读:876来源:国知局
一种铝基非晶/高熵合金复合材料及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种铝基非晶/高熵合金复合材料及制备方法,属于金属复合材料领域。
【背景技术】
[0002]铝基非晶合金由于具有密度低、强度高的特点,受到了广大科研工作者的极大关注。研究表明,含铝原子百分数为84?86%的非晶合金,其拉伸强度可达100MPa以上,是传统铝合金抗拉强度(约600MPa)的2?4倍。
[0003]当铝基非晶基体中弥散分布少量α -Al纳米粒子时,其强度高达1560MPa,是单相非晶态合金强度的1.5倍,适量α -Al纳米粒子的弥散分布可进一步提高铝基非晶合金的强度和塑性。纳米晶体相增强的铝基非晶合金,其强度可达到或超过钢的强度,而密度却不到钢的40 %,因而具有广阔的应用前景。
[0004]由于铝基非晶合金的非晶形成能力低,快速凝固技术获得非晶试样的最大尺寸仅为1mm,远不能满足应用需求,而粉末冶金技术为制备大块铝基非晶合金提供了新的途径。放电等离子烧结(SPS)具有升温速率快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等特点,非常适合非晶合金粉末的烧结,可用来进一步突破非晶合金的尺寸限制,制备出相对密度高的块体非晶合金。目前通过放电等离子烧结方法制备的铝基非晶合金虽然强度一般在100MPa以上,但是其变形能力较差,应变一般在2%以下。而目前可以通过外加第二相颗粒的方法来增加其变形能力。一般所加颗粒为纯金属颗粒,比如铝、铜和铁颗粒等。此类颗粒虽然可以改善复合材料的变形能力,但是由于自身强度较低,导致复合材料的强度相比铝基非晶合金有很大程度的降低,比如铝基非晶/铝粉复合材料的强度一般在600MPa以下。

【发明内容】

[0005]针对外加第二相颗粒增强铝基非晶复合材料形变能力而导致复合材料强度低的问题,本发明的目的之一在于提供一种铝基非晶/高熵合金复合材料,所述复合材料密度较低,抗压强度高,并具有一定的变形能力。
[0006]本发明的目的之二在于提供一种所述铝基非晶/高熵合金复合材料的制备方法,所述方法通过机械合金化获得铝基非晶合金粉末,利用气雾化法获得高熵合金粉末,然后通过放电等离子烧结获得铝基非晶/高熵合金复合材料。
[0007]本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0008]—种铝基非晶/高熵合金复合材料,以所述复合材料的体积为100%计,其各组成成分及体积分数为:铝基非晶25?50%,高熵合金50?75%。
[0009]所述铝基非晶为机械合金化制备的Al-Cu-T1、Al-Fe-Ti或Al-N1-Ti。
[0010]所述高熵合金为利用氩气雾化法制备的AlCoCrFeNi。
[0011]—种本发明所述的铝基非晶/高熵合金复合材料的制备方法,所述方法步骤如下;
[0012]步骤1.将Al、Cu和Ti金属粉末按原子百分比65:16.5:18.5或八1、卩6和11金属粉末按照原子百分比70:25:5或Al、Ni和Ti金属粉末按照原子百分比88:6:6装入球磨罐中,球料比为10?20:1 ;在Ar气氛的手套箱中向球磨罐中注入6?1ml甲苯作为工程控制剂,并封罐;从手套箱中取出球磨罐后装入球磨机中,球磨转速为600?800r/min,球磨时间为25?35h,得到铝基非晶粉末;
[0013]步骤2.将纯度彡99.9 %的Al、Co、Cr、Fe和Ni金属块体按摩尔比0.4?
1.0: 1.0?1.6:1.0: 1.0: 1.0配成原始材料,在真空度2.5 X 10 3?5.0 X 10 4Pa下,以氩气作为保护气体,并在搅拌下熔炼10?15min,得到合金液;将合金液冷却,得到合金锭;将得到的合金锭翻转,重复熔炼4次以上,得到AlCoCrFeNi高熵合金的母合金锭;将母合金锭装入真空金属雾化制粉炉中,在过热度为100?200°C,雾化气压5?1MPa条件下进行雾化,并对雾化后的粉末颗粒粒径进行筛选,得到粒径为20?100 μm的球形高熵合金粉末;
[0014]步骤3.将步骤I得到的铝基非晶合金粉末和步骤2得到的高熵合金粉末装入球磨罐中,并在Ar气氛的手套箱中封罐,从手套箱中取出球磨罐后装入球磨机中,不加球磨介质,在球磨机转速为600?800r/min下混合10?15h后,得到招基非晶/高熵合金混合粉末;
[0015]步骤4.将步骤3得到的铝基非晶/高熵合金混合粉末装入硬质合金模具中,利用放电等离子烧结技术,在升温速率为100?150 °C /min,烧结温度为550?600 °C,压强为300?400MPa下进行烧结,保温5?1min后降到室温,得到所述铝基非晶/高熵合金复合材料。
[0016]所述Al、Cu、Fe、N1、Ti金属粉末纯度彡99.5%,粒径彡50 μ m。
[0017]有益效果:
[0018](I)本发明所述的铝基非晶/高熵合金复合材料相对密度多98%,抗压强度^ 2800Mpa,并具有一定的变形能力。所述复合材料中高熵合金是新近发展起来的一类新型金属材料,具有优异的综合力学性能,如高强度、高硬度等,在所述复合材料中其体积分数为50?75%,能够显著增加复合材料的强度。
[0019](2)本发明所述方法利用机械合金化球磨Al-Cu-Ti或者Al-Fe-Ti或者Al-N1-Ti粉末,得到的非晶粉末形状极不规则,具有较高的表面活性;而通过氩气雾化法制备得到的高熵合金粉末为球形,表面几乎无氧化现象,这两种粉末按照一定体积分数混合后具有较好的烧结性能;放电等离子烧结过程中,采用硬质合金模具代替传统的石墨模具,可提高烧结时的压强,有利于提高烧结试样的相对密度,从而制备出抗压强度高、相对密度高的铝基非晶/高熵合金复合材料。
【附图说明】
[0020]图1为实施例1制备的铝基非晶/高熵合金复合材料的X射线衍射(XRD)图。
[0021]图2为实施例1制备的铝基非晶/高熵合金复合材料的低倍扫描电子显微镜(SEM)图。
[0022]图3为实施例1制备的铝基非晶/高熵合金复合材料的高倍扫描电子显微镜(SEM)图。
[0023]图4为实施例1制备的铝基非晶/高熵合金复合材料的应力-应变曲线。
【具体实施方式】
[0024]下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述。
[0025]以下实施例中:
[0026]所用仪器设备:
[0027]球磨机:SPEX8000D,高能球磨机,美国;
[0028]电弧熔炼炉:DHL-400,高真空非自耗电弧熔炼炉,中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司;
[0029]真空金属雾化制粉炉:自制真空金属雾化制粉炉,能够制备出具有较好球形度的金属合金粉末;
[0030]放电等离子烧结炉:Model1050,日本 Sumitomo Coal Mining ;
[0031]硬质合金模具:型号YG15硬质合金模具。
[0032]对所制备的铝基非晶/高熵合金复合材料进行的表征:
[0033](I)物相分析:采用德国Bruker AXS公司D8advance X射线衍射仪进行物相分析,工作电压和电流分别为40KV和40mA,X射线源为CuK α ( λ = 0.1542nm)射线,扫描速度为0.2sec/step,扫描步长为 0.02。/step;
[0034](2)形貌表征:米用日本日立公司的HITACHI S4800型冷场发射扫描电子显微镜进行微观形貌表征,二次电子成像,工作电压为15kV ;
[0035](3)准静态压缩试验:采用CMT4305型微机电子万能试验机进行室温轴向准静态压缩试验,测试试样依据金属材料室温压缩试验方法(GB-T 7314-2005)国家标准中的有关规定制成直径为4mm,高度8mm的圆柱形试样,测试所采用的试验机应变率为10 3S \测得试样的抗压强度;
[0036](4)相对密度测试:利用阿基米德排水法测得试样的相对密度。
[0037]实施例1
[0038](I)将纯度彡99.5%,粒径彡50μπι的Al、Cu和Ti金属粉末按原子百分比65:16.5:18.5装入球磨罐中,球料比为10: 1,在Ar气氛的手套箱中向球磨罐中注入6ml甲苯,并封罐;从手套箱中取出球磨罐后装入球磨机中,在800r/min的转速下球磨25h,得到铝基非晶粉末;
[0039](2)将纯度彡99.9 %的Al、Co、Cr、Fe和Ni金属块体按摩尔比0.4:1.6:1.0:1.0:1.0配成原始材料,在真空度2.5X10 3Pa下,以氩气作为保护气体,并在搅拌下并在搅拌下熔炼15min,得到合金液;将合金液冷却,得到合金锭;将得到的合金锭翻转,重复熔炼4次,得到AlCoCrFeNi高熵合金的母合金锭;将制备好的母合金锭装入真空金属雾化制粉炉中,在过热度为100°C,雾化气压5MPa条件下进行雾化,利用振动筛分机获得粒径分布在20?100 μ m的球形高熵合金粉末;
[0040](3)将步骤(I)得到的铝基非晶合金粉末和步骤(2)得到的高熵合金粉末按照1:3的体积比装入球磨罐中,并在Ar气氛的手套箱中封罐,从手套箱中取出球磨罐后装入球磨机中,不加球磨介质,在球磨机转速为600r/min下混合15h后得到招基非晶/高熵合金混合粉末;
[0041](4)将步骤(3)得到的铝基非晶/高熵合金混合粉末装入YG15硬质合金模具中,然后利用放电等离子烧结技术,在升温速率为100°C/min,烧结温度为600°C,压强为300MPa下进行烧结,保温5min,然后降到室温,得到铝基非晶/高熵合金复合材料。
[0042]对本实施例制备得到的铝基非晶/高熵合金复合材料进行的表征如下:
[0043]图1为所制备的复合材料的XRD图,其中Al3TlAlCu2Ti和Cu3Ti相为在制备过程中Al基非晶发生晶化现象而产生的晶化相,而体心立方BCC和面心立方FCC相则主要为复合材料中高熵合金衍射峰。图2和图3为所制备的复合材料在不同放大倍数下的SEM图,可以看到材料组织结构为明显的两相,Al基非晶基体相和高熵合金颗粒,其中Al基非晶几乎完全致密化,高熵合金颗粒仍然保持圆球形,两相界面结合良好。从图3高倍SEM图中,可以发现在两相之间存在明显的过渡层,厚度约为5 μπι。利用阿基米德排水法测得复合材料的相对密度为98.3%。图4为所制备的复合材料的应力应变曲线,所述复合材料抗压强度达到3122MPa,综合力学性能优异。
[0044]实施例2
[0045](I)将纯度彡99.5%,粒径彡50 μπι的Al、Fe和Ti金属粉末按照原子百分比70:25:5装入球磨罐中,球料比为15:1,在Ar气氛的手套箱中向球磨罐中注入1ml甲苯,并封罐;从手套箱中取出球磨罐后装入球磨机中,在600r/min的转速下球磨35h,
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