一种内生纳米陶瓷增强高熵合金复合材料及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属基复合材料技术领域，具体设及一种高赌合金复合材料及其制备 方法。
【背景技术】
[0002] 块体高赌合金化EA)具有高强度、高硬度、低的弹性模量与大的弹性应变极限等一 系列不同于传统晶态合金的优异力学性能，使得其被认为是极具潜力的结构材料。然而，高 脆性使得肥A材料在没有明显室溫宏观塑性变形的情况下，W突然失效的方式发生灾难性 断裂;高脆性、高硬度对材料的加工带来了极大困难。运些都严重地制约着皿A作为先进结 构材料在工程中的大规模应用。因此，室溫脆性、加工困难问题已经发展成为皿A材料应用 的重要瓶颈。 为改善肥A材料的室溫脆性及加工困难的问题，研究者们通过添加不同的金属元素，采 用电弧烙铸制备出枝晶偏析的块体材料，运其中W添加 Cu效果明显，其压缩塑性应变达到 8%W内。随后，张勇等人通过定向凝固技术制备出具有柱状晶组织的高赌合金材料，其压缩 初性有所提高；王艳苹等采用电弧烙铸制备了内生10vol.%TiC颗粒增强的CrFeCoNi化A1 高赌合金基复合材料（HEAMCs)，TiC成颗粒状均匀分布在基体上，尺寸约为几个微米。 化化CoNi化Ti-TiC复合材料的压缩强度和硬度可分别达到2040MPa和746HV，压缩塑性约 12%。但上述高赌合金材料的塑性的获得，不是大幅度降低了强度就是在提高塑性方面并不 明显。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种高赌合金复合材料及制备方法，在保持其优异强度和 硬度的同时，提高复合材料的塑性。
[0004] 本发明的高赌合金复合材料，W高赌合金颗粒作为基体相，同时，在高能球磨过程 中，机械合金化能量促进原位反应生成纳米陶瓷TiC:Ti+C--'"??TiC，使内生纳米陶瓷相偏聚 在固溶体晶界处，产生陶瓷相增强，同时对初性的面屯、立方固溶体造成挤压，形成形变李 晶，从而实现高赌合金复合材料的强塑结合，制备出高强高初的高赌合金复合材料。
[000引所述内生纳米陶瓷增强高赌合金复合材料，其复合材料的合金成分原子比表达式 为：AlxFeCrC0yNi(Cu)mTiz /(1-15) vol0/0TiC，其中0<x<0.7,0<z<0.7且X+Z =0.7，l<y < 1.5，m为0或 1。
[0006] 所述内生纳米陶瓷增强高赌合金复合材料的制备方法，具体包括W下步骤： ①原料选择:所述A1、Fe、Cr、Co、Ni、Cu、Ti金属粉末纯度>99.9%，粒度< 45皿;所述碳粉 的纯度〉99.9%，粒度<100皿。按照AlχFeCrCoyNi(Cu)mTiz/α-15)vol%TiC名义成分进行 称量，将称量好的金属粉体及碳粉按顺序置于不诱钢或陶瓷球磨罐中，抽真空后充入高纯 惰性气体，W备球磨。
[0007] ②复合粉体制备:将步骤一中准备好的粉体在高能球磨机中进行机械合金化，干 磨转速400~50化/min，干磨时间为40~5化，湿磨时间2~化，湿磨转速为100~30化/min;湿磨 后，打开真空罐，真空干燥24~3化后，经50~lOOr/min球磨1~化，制备得到高赌合金复合粉 〇
[0008] ③复合材料致密化： 将上述高赌合金复合粉末置于石墨模具中，采用放电等离子烧结炉进行烧结，烧结溫 度为1000°C，烧结时间为lOmin，烧结时加压30Mpa，真空度<8化;升溫速率为：600°C/4min; 600-900°C和900-1000°C的升溫速率分别为75°C/min和50°C/min;最后降至室溫，得到所述 高赌合金复合材料。
[0009] 采用XRD、TEM、力学性能试验机等对所述高赌合金复合材料进行测试。
[0010] 本发明的内生纳米陶瓷增强高赌合金复合材料，通过成分设计和制备工艺使合金 基体W高塑性面屯、立方固溶体(FCC)为主的高赌合金基体，同时内生纳米陶瓷颗粒偏聚于 简单固溶体晶界上，产生陶瓷增强相强化;在加热、加压固化过程中，陶瓷相对FCC相产生挤 压变形效应，形成形变李晶，从而实现高赌合金复合材料的强塑结合，制备出高强高初的高 赌合金复合材料或按照模具内腔形状成型的零件。
【附图说明】
[0011] 图巧实施例1制备的复合材料的TEM分析图； 图2为本发明复合材料的应力-应变曲线图。
【具体实施方式】
[0012] 下面结合附图对本发明做进一步描述。
[001引原料的选择：按下表称取纯度为99.99%的41爪、吐、(：0、化、01、11金属粉末和纯度 为99.99%的碳粉，粒度< 45皿。
[0014] 表1制备复合材料选用金属组元的质量，单位为g。
[0015] 实施例1 (1)复合粉体制备:按上表将准备好的粉体在高能球磨机中进行机械合金化，干磨转速 为45化/min，干磨时间45h，湿磨时间化，湿磨转速20化/min，制备得到高赌合金复合粉末。 具体步骤如下： a)将等待球磨的粉体放入不诱钢磨罐中，W不诱钢球作为研磨体，按照10:1的球粉质 量比球磨。球磨之前，先用真空机抽真空lOmin，之后充入0.5M化氣气作为保护气体;球磨机 的转速为45化/min,并且每60min需要调整旋转方向一次，在球磨化、1化、3化、4化分别取 样。
[0016] b)将无水乙醇加入球磨4加的粉末中进行湿磨化。球磨结束之后，取出球磨罐，将 真空干燥箱打开，然后打开球磨罐罐盖，并留出一定的间隙，将其放入干燥箱后关上箱口。 用真空机抽真空之后将溫度调节到50°C，经过24h干燥后取出。将经过干燥之后的粉体放入 球磨机中，W80r/min的转速球磨1.化，制备得到高赌合金复合粉末筛分后取出待用。
[0017] (2)复合材料致密化:将上述高赌合金复合粉末置于石墨模具中，采用放电等离子 烧结炉进行烧结，烧结溫度为l〇〇〇°C:烧结时间为lOmin，烧结时加压30Mpa，真空度<8化;升 溫速率为:600°(3/4111111;600-900°(3和900-1000°(3的升溫速率分别为75°(3/111111和50°(3/111111， 冷却到室溫，制得所述高赌合金复合材料，其合金成分原子比表达式为Alo.7FeCrCoi.5Ni/ 15vol%TiC。
[001引（3)结构和性能表征，采用XRD、TEM、力学性能试验机等对上述样品进行测试。结合 图1，内生TiC颗粒分布于晶界处，并在合金致密过程中对晶粒挤压，造成形变李晶的出现， 其中图la为形貌图，图化是李晶的选区衍射图;所述复合材料的压缩屈服强度、断裂强度和 塑性应变分别达到2050 ± 15 Mpa，2410 ±15 MPa和17±0.50%，微观硬度平均为650 ± 1 甜V。
[0019] 实施例2 按上表称取合金粉体和碳粉，采用实施例1中相同的方法制备高赌合金复合材料，合金 成分为Alo.4FeCrCo化NiTi〇.3/5vol%TiC，所述复合材料的室溫压缩断裂强度和塑性应变分 别达到2220M化和22.8〇/〇。
[0020] 实施例3 按上表称取合金粉体和碳粉，采用实施例1中相同的方法制备高赌合金复合材料，合金 成分为Fe化Co化NiTi〇.7/10vol%TiC，所述复合材料的室溫压缩断裂强度和塑性应变分别达 到 2310M 化和 20.4〇/〇。
【主权项】
1. 一种内生纳米陶瓷增强高熵合金复合材料，其特征在于，所述复合材料的合金成分 原子比表达式为:Al xFeCrCoyNi(Cu)mTiz /(1-15) vol%TiC，其中0<χ<0·7,0<ζ <0.7且X +z =0.7，l<y<1.5，m为0或 1。2. -种制备权利要求1所述的内生纳米陶瓷增强高熵合金复合材料的方法，其特征在 于，包括以下步骤： ① 将称量好的金属粉体及碳粉按顺序置于不锈钢或陶瓷球磨罐中，抽真空后充入高纯 惰性气体，以备球磨； ② 将上述粉体在高能球磨机中进行机械合金化，干磨转速400~500r/min，干磨时间为 40~50h，湿磨时间2~5h，湿磨转速为100~300r/min;湿磨后，打开真空罐，真空干燥24~36h 后，经50~100r/min球磨1~2h，制备得到高熵合金复合粉末； ③ 将上述高熵合金复合粉末置于石墨模具中，采用放电等离子烧结炉进行烧结，烧结 温度为l〇〇〇°C，烧结时间为lOmin，烧结时加压30Mpa，真空度<8Pa;升温速率为：600°C/ 4min;600-900°C和900-1000°C的升温速率分别为75°C/min和50°C/min;最后降至室温，得 到所述高熵合金复合材料。3. 根据权利要求2所述的内生纳米陶瓷增强高熵合金复合材料的制备方法，其特征在 于，所述六1、？6、(^、(：〇、附、〇1、1^金属粉末的纯度>99.9%，粒度<45以111 ;所述碳粉的纯度> 99.9%，粒度<10(^111。
【专利摘要】本发明公开了一种内生纳米陶瓷增强高熵合金复合材料及制备方法，以高熵合金颗粒作为基体相，同时，在高能球磨过程中，机械合金化能量促进原位反应生成纳米陶瓷TiC，使内生纳米陶瓷相偏聚在固溶体晶界处，产生陶瓷相增强，同时对韧性的面心立方固溶体造成挤压，形成形变孪晶，从而实现高熵合金复合材料的强塑结合，制备出高强高韧的高熵合金复合材料，在保持其优异强度和硬度的同时，提高复合材料的塑性。
【IPC分类】B22F3/105, B22F9/04, C22C30/02, C22C32/00, C22C30/00, C22C1/05
【公开号】CN105543621
【申请号】CN201610030430
【发明人】杨少锋, 张炎, 刘明, 严星, 杨堃
【申请人】南京工程学院
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2016年1月18日