一种高熵合金颗粒增强铝基复合材料及其搅拌铸造制备工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属基复合材料制造领域，特别涉及一种高熵合金颗粒增强铝基复合材料及其搅拌铸造制备工艺。
【背景技术】
[0002]铝基复合材料具有质量轻、比强度高、热稳定性和导电导热性优异、低的热膨胀系数以及良好的耐磨性，在航空航天、汽车、电子、交通运输等领域具有广阔的应用背景。目前用作承载结构的铝基复合材料属于低体积分数复合材料，增强相多为陶瓷颗粒/纤维、金属颗粒/纤维及其它材料等，其含量在0?35%之间。低体积分数铝基复合材料具有高的强度和良好的韧性，但其存在材料设计理论、制备成形工艺方面如陶瓷颗粒增强体与铝基体之间浸润性差、界面结合不良以及颗粒分布不均等困难，严重影响了结构用铝基复合材料的大规模生产与推广应用。高熵合金具有高的强度、良好的热稳定性、较高的耐磨性和耐腐蚀性等性能，是一种应用前景极好的结构、功能材料。源于金属-金属间天然的界面结合特性，高熵合金与铝合金基体间的界面润湿性与界面相容性极好。研究表明，采用高熵合金作为增强相来增强增韧铝合金，可以解决陶瓷颗粒增强体与铝基体之间浸润性差、界面结合不良等问题。同时，有报道表明采用搅拌铸造工艺可以很好解决颗粒分布不均等问题。目前，已有采用固态法(包括粉末冶金工艺、热挤压工艺、热压烧结以及SPS烧结等)制备高熵合金颗粒增强铝基复合材料的报道，然而现有工艺在制备成形大尺寸高熵合金颗粒增强铝基复合材料块体方面存在较大的难度，液态法则在制备成形大尺寸复合材料方面具有很大的优势，也是工业化生产的首选工艺。然而，迄今为止尚无采用液态法(包括搅拌铸造工艺)制备高熵合金颗粒增强铝基复合材料的报道。
【发明内容】
[0003]为了克服现有技术中颗粒增强铝基复合材料的设计理论与工业用大尺寸复合材料制备成形工艺的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种高熵合金颗粒增强铝基复合材料的搅拌铸造制备工艺。本发明的制备工艺是一种液态法制备高熵合金颗粒增强铝基复合材料的新工艺，即搅拌铸造工艺，包含高熵合金颗粒制备、粉末筛分与封装、搅拌铸造成形复合材料等关键步骤，解决目前结构用高熵合金颗粒增强铝基复合材料规模化生产和应用的难题。
[0004]本发明的另一目的在于提供采用上述制备工艺得到的高熵合金颗粒增强铝基复合材料。
[0005]本发明的目的通过下述技术方案实现:
[0006]—种高熵合金颗粒增强铝基复合材料的搅拌铸造制备工艺，其材料成分与组成特征在于:基体为各种招合金，包括变形招合金，如]^11、2111、4111、5111、6111、7111合金以及Al-Li合金;基体还包括铸造铝合金，如Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、A1_RE系和Al_Zn系。增强相为高熵合金颗粒，包括AlCoCrFeNiTi系、AlCoCrCuFeNi系、AlCoCrCuFeNiTi系、AlCoCuFeNi和AlCoCrFeNi系等高熵合金;其中，高熵合金颗粒增强相的体积分数在0.1 %?35 %之间，铝合金基体的体积分数在65 %?99.9 %之间，且二者之和等于1。
[0007]一种高熵合金颗粒增强铝基复合材料的搅拌铸造制备工艺，其制备成形工艺特点是:采用机械合金化制备高熵合金粉末并筛分，获得高熵合金颗粒;采用与基体同材质的铝合金管密封高熵合金颗粒，并将分段称量好的铝合金管添加进熔融的基体;采用搅拌方式分散基体熔体中的高熵合金颗粒;采用铸造工艺制备成形高熵合金颗粒增强铝基复合材料。本发明用搅拌铸造成型工艺的示意图如附图1所示，制备工艺流程如附图2所示。
[0008]本发明所述高熵合金颗粒增强铝基复合材料的搅拌铸造制备工艺，具体包括以下步骤:
[0009]步骤一:制备高熵合金粉末
[0010]按照高熵合金的成分，将五种或五种以上的纯金属粉末按照各自不同摩尔原子比和质量分数，计算出高熵合金中各成分的含量，并用电子天平称量出相应质量，然后在混粉机上混粉6?24h，混合均匀后装进不锈钢球磨罐中，抽真空并在氩气保护气氛下，在行星球磨机上进行机械合金化，球料比为8: 1，合金化时间为6?60h ；转速为150r/ min?600r/ min ；过程控制剂为无水乙醇，温度为室温，合金化完成后获得高熵合金粉末。
[0011]步骤二:颗粒筛分与封装
[0012]将步骤一获得的高熵合金粉末用标准目数的筛子进行筛分，获得粒径分布为10?500μπι的高熵合金颗粒;将分选后的高熵合金颗粒装入直径为5?50_的与基体同材质的铝合金管中，在常温下压实并进行分段密封。
[0013]步骤三:搅拌铸造成形复合材料
[0014]将钢模和密封的铝合金管在200?300°C下保温1?2h，将基体熔化并于680°C?780°C保温20?40min，将封装有高熵合金颗粒的铝合金管分段称量后添加到熔融基体中，精炼、除气、除渣，以100?500r/min的速度搅拌基体熔体10?40min，随后浇铸成型、脱模，获得高熵合金颗粒增强铝基复合材料。
[0015]—种高熵合金颗粒增强铝基复合材料，通过上述搅拌铸造制备工艺制备得到。
[0016]本发明制备方法的原理为:本发明涉及的高熵合金颗粒在高温(1200°C)下，结构稳定，从而避免了一般增强相的界面化学反应的发生和脆性相的形成，加之复合材料中高熵合金粉末与铝合金基体可以形成原子半共格的物理结合型界面，界面结合强度高、界面润湿性好。同时，采用与基体铝合金同材质的铝合金管密封高熵合金颗粒来添加进熔融的铝合金，并采用搅拌方式分散铝合金熔体中的高熵合金颗粒，可以获得颗粒分布均匀、弥散的微观组织以及良好的力学和物理性能，有助于产品质量稳定与规模化生产。
[0017]本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
[0018](1)本发明涉及的高熵合金粉体高温稳定性好，抗氧化性较强，表面不需要进行化学处理和清洗。
[0019](2)本发明涉及的液态法工艺，其高熵合金粉末与铝合金基体润湿性好，形成扩散结合型界面;界面干净平整，没有明显的反应层，界面结合强度高。
[0020](3)本发明涉及的搅拌铸造制备成形工艺可以有效降低增强相高熵合金颗粒的团聚现象，获得颗粒分布均匀、弥散，铸造缺陷少的铝基复合材料。
[0021](4)本发明涉及的搅拌铸造制备成形工艺过程简单，设备成本低，适合于规模化和标准化生产。
[0022](5)本发明涉及的复合材料制备工艺简单且粉体无需处理，制取的复合材料组织中高熵合金颗粒分布均匀、弥散，高熵合金和铝合金界面结合相容性好，具有良好的强度和韧性，制备工艺成本低且稳定性好，适合批量化生产和标准化生产，具有良好的推广应用前景。
【附图说明】
[0023]图1是本发明涉及的搅拌铸造成型工艺的设备结构示意图。
[0024]图2是本发明涉及的拌铸造成型工艺的制备工艺流程图。
[0025]图3是实施例1制备的高熵合金/6061A1的金相组织图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0027]实施例1
[0028]步骤一:制备高熵合金粉末
[0029]首先，增强相选用AlCoCuFeNi系高熵合金颗粒，高熵合金的具体成分为Al0.25CoCu0.75FeNi，根据高熵合金Al0.25CoCu0.75FeNi中各主要兀素的摩尔原子比和质量分数，分别计算出各成分的质量为纯A1粉18.38g，纯Co粉160.56g，纯Cu粉133.94g，纯Fe粉152.19g，纯Ni粉159.94g，并用电子天平称取相应质量，将其在混粉机上混粉24h，混合均匀后装进不锈钢球磨罐中，抽真空、充氩气，随后在行星球磨机上球磨60h，球料比为8:1，转速为200r/min，过程控制剂为无水乙醇，制备出高熵合金粉末。
[0030]步骤二:颗粒筛分与封装
[0031 ]将步骤一得到的高熵合金粉末用标准目数的筛子进行筛分，得到平均粒径为30μπι的高熵合金颗粒;将30μπι的高熵合金颗粒装入直径为5mm的6061铝合金管中，在常温下压实并分段封装。
[0032]步骤三:搅拌铸造工艺制备复合材料
[0033]AlQ.25CoCuQ.75FeNi高熵合金的体积分数为2%;铝合金基体为6061A1，体积分数为98%;计算封装有高熵合金颗粒的6061铝合金管的质量为117g，并用电子天平称取。将钢模和封装有高熵合金颗粒的6061铝合金管在250°C保温2h，将2Kg的6061A1棒材于720°C熔化后保温30min，将分段封装的6061铝合金管加入熔融的铝液中，精炼、除渣、除气，以300r/min的搅拌速度搅拌lOmin后浇铸成型、脱模，获得高熵合金颗粒增强铝基复合材料。拉伸试验结果表明，复合材料的抗拉强度为187MPa，延伸率为HJ^^AloiCoCuo^FeNi高熵合金颗粒增强铝基复合材料的金相组织如图3所示，颗粒在基体中分散均匀，没有明显的反应层，界面结合良好。
[0034]实施例2
[0035]步骤一:制备高熵合金粉末
[