一種鋁基非晶/高熵合金復合材料及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種鋁基非晶/高熵合金復合材料及制備方法，屬于金屬復合材料領域。
【背景技術】
[0002]鋁基非晶合金由于具有密度低、強度高的特點，受到了廣大科研工作者的極大關注。研究表明，含鋁原子百分數為84?86%的非晶合金，其拉伸強度可達100MPa以上，是傳統鋁合金抗拉強度(約600MPa)的2?4倍。
[0003]當鋁基非晶基體中彌散分布少量α -Al納米粒子時，其強度高達1560MPa，是單相非晶態合金強度的1.5倍，適量α -Al納米粒子的彌散分布可進一步提高鋁基非晶合金的強度和塑性。納米晶體相增強的鋁基非晶合金，其強度可達到或超過鋼的強度，而密度卻不到鋼的40 %，因而具有廣闊的應用前景。
[0004]由于鋁基非晶合金的非晶形成能力低，快速凝固技術獲得非晶試樣的最大尺寸僅為1mm，遠不能滿足應用需求，而粉末冶金技術為制備大塊鋁基非晶合金提供了新的途徑。放電等離子燒結(SPS)具有升溫速率快、燒結時間短、組織結構可控、節能環保等特點，非常適合非晶合金粉末的燒結，可用來進一步突破非晶合金的尺寸限制，制備出相對密度高的塊體非晶合金。目前通過放電等離子燒結方法制備的鋁基非晶合金雖然強度一般在100MPa以上，但是其變形能力較差，應變一般在2%以下。而目前可以通過外加第二相顆粒的方法來增加其變形能力。一般所加顆粒為純金屬顆粒，比如鋁、銅和鐵顆粒等。此類顆粒雖然可以改善復合材料的變形能力，但是由于自身強度較低，導致復合材料的強度相比鋁基非晶合金有很大程度的降低，比如鋁基非晶/鋁粉復合材料的強度一般在600MPa以下。
【發明內容】
[0005]針對外加第二相顆粒增強鋁基非晶復合材料形變能力而導致復合材料強度低的問題，本發明的目的之一在于提供一種鋁基非晶/高熵合金復合材料，所述復合材料密度較低，抗壓強度高，并具有一定的變形能力。
[0006]本發明的目的之二在于提供一種所述鋁基非晶/高熵合金復合材料的制備方法，所述方法通過機械合金化獲得鋁基非晶合金粉末，利用氣霧化法獲得高熵合金粉末，然后通過放電等離子燒結獲得鋁基非晶/高熵合金復合材料。
[0007]本發明的目的是通過以下技術方案實現的。
[0008]—種鋁基非晶/高熵合金復合材料，以所述復合材料的體積為100%計，其各組成成分及體積分數為:鋁基非晶25?50%，高熵合金50?75%。
[0009]所述鋁基非晶為機械合金化制備的Al-Cu-T1、Al-Fe-Ti或Al-N1-Ti。
[0010]所述高熵合金為利用氬氣霧化法制備的AlCoCrFeNi。
[0011]—種本發明所述的鋁基非晶/高熵合金復合材料的制備方法，所述方法步驟如下；
[0012]步驟1.將Al、Cu和Ti金屬粉末按原子百分比65:16.5:18.5或八1、卩6和11金屬粉末按照原子百分比70:25:5或Al、Ni和Ti金屬粉末按照原子百分比88:6:6裝入球磨罐中，球料比為10?20:1 ;在Ar氣氛的手套箱中向球磨罐中注入6?1ml甲苯作為工程控制劑，并封罐；從手套箱中取出球磨罐后裝入球磨機中，球磨轉速為600?800r/min，球磨時間為25?35h，得到鋁基非晶粉末；
[0013]步驟2.將純度彡99.9 %的Al、Co、Cr、Fe和Ni金屬塊體按摩爾比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，以氬氣作為保護氣體，并在攪拌下熔煉10?15min，得到合金液；將合金液冷卻，得到合金錠；將得到的合金錠翻轉，重復熔煉4次以上，得到AlCoCrFeNi高熵合金的母合金錠；將母合金錠裝入真空金屬霧化制粉爐中，在過熱度為100?200°C，霧化氣壓5?1MPa條件下進行霧化，并對霧化后的粉末顆粒粒徑進行篩選，得到粒徑為20?100 μm的球形高熵合金粉末；
[0014]步驟3.將步驟I得到的鋁基非晶合金粉末和步驟2得到的高熵合金粉末裝入球磨罐中，并在Ar氣氛的手套箱中封罐，從手套箱中取出球磨罐后裝入球磨機中，不加球磨介質，在球磨機轉速為600?800r/min下混合10?15h后，得到招基非晶/高熵合金混合粉末；
[0015]步驟4.將步驟3得到的鋁基非晶/高熵合金混合粉末裝入硬質合金模具中，利用放電等離子燒結技術，在升溫速率為100?150 °C /min，燒結溫度為550?600 °C，壓強為300?400MPa下進行燒結，保溫5?1min后降到室溫，得到所述鋁基非晶/高熵合金復合材料。
[0016]所述Al、Cu、Fe、N1、Ti金屬粉末純度彡99.5%，粒徑彡50 μ m。
[0017]有益效果:
[0018](I)本發明所述的鋁基非晶/高熵合金復合材料相對密度多98%，抗壓強度^ 2800Mpa，并具有一定的變形能力。所述復合材料中高熵合金是新近發展起來的一類新型金屬材料，具有優異的綜合力學性能，如高強度、高硬度等，在所述復合材料中其體積分數為50?75%，能夠顯著增加復合材料的強度。
[0019](2)本發明所述方法利用機械合金化球磨Al-Cu-Ti或者Al-Fe-Ti或者Al-N1-Ti粉末，得到的非晶粉末形狀極不規則，具有較高的表面活性；而通過氬氣霧化法制備得到的高熵合金粉末為球形，表面幾乎無氧化現象，這兩種粉末按照一定體積分數混合后具有較好的燒結性能；放電等離子燒結過程中，采用硬質合金模具代替傳統的石墨模具，可提高燒結時的壓強，有利于提高燒結試樣的相對密度，從而制備出抗壓強度高、相對密度高的鋁基非晶/高熵合金復合材料。
【附圖說明】
[0020]圖1為實施例1制備的鋁基非晶/高熵合金復合材料的X射線衍射(XRD)圖。
[0021]圖2為實施例1制備的鋁基非晶/高熵合金復合材料的低倍掃描電子顯微鏡(SEM)圖。
[0022]圖3為實施例1制備的鋁基非晶/高熵合金復合材料的高倍掃描電子顯微鏡(SEM)圖。
[0023]圖4為實施例1制備的鋁基非晶/高熵合金復合材料的應力-應變曲線。
【具體實施方式】
[0024]下面結合具體實施例對本發明作進一步闡述。
[0025]以下實施例中:
[0026]所用儀器設備:
[0027]球磨機:SPEX8000D，高能球磨機，美國；
[0028]電弧熔煉爐:DHL-400，高真空非自耗電弧熔煉爐，中國科學院沈陽科學儀器股份有限公司；
[0029]真空金屬霧化制粉爐:自制真空金屬霧化制粉爐，能夠制備出具有較好球形度的金屬合金粉末；
[0030]放電等離子燒結爐:Model1050，日本 Sumitomo Coal Mining ；
[0031]硬質合金模具:型號YG15硬質合金模具。
[0032]對所制備的鋁基非晶/高熵合金復合材料進行的表征:
[0033](I)物相分析:采用德國Bruker AXS公司D8advance X射線衍射儀進行物相分析，工作電壓和電流分別為40KV和40mA，X射線源為CuK α ( λ = 0.1542nm)射線，掃描速度為0.2sec/step，掃描步長為 0.02。/step;
[0034](2)形貌表征:米用日本日立公司的HITACHI S4800型冷場發射掃描電子顯微鏡進行微觀形貌表征，二次電子成像，工作電壓為15kV ；
[0035](3)準靜態壓縮試驗:采用CMT4305型微機電子萬能試驗機進行室溫軸向準靜態壓縮試驗，測試試樣依據金屬材料室溫壓縮試驗方法(GB-T 7314-2005)國家標準中的有關規定制成直徑為4mm，高度8mm的圓柱形試樣，測試所采用的試驗機應變率為10 3S \測得試樣的抗壓強度；
[0036](4)相對密度測試:利用阿基米德排水法測得試樣的相對密度。
[0037]實施例1
[0038](I)將純度彡99.5%，粒徑彡50μπι的Al、Cu和Ti金屬粉末按原子百分比65:16.5:18.5裝入球磨罐中，球料比為10: 1，在Ar氣氛的手套箱中向球磨罐中注入6ml甲苯，并封罐；從手套箱中取出球磨罐后裝入球磨機中，在800r/min的轉速下球磨25h，得到鋁基非晶粉末；
[0039](2)將純度彡99.9 %的Al、Co、Cr、Fe和Ni金屬塊體按摩爾比0.4:1.6:1.0:1.0:1.0配成原始材料，在真空度2.5X10 3Pa下，以氬氣作為保護氣體，并在攪拌下并在攪拌下熔煉15min，得到合金液；將合金液冷卻，得到合金錠；將得到的合金錠翻轉，重復熔煉4次，得到AlCoCrFeNi高熵合金的母合金錠；將制備好的母合金錠裝入真空金屬霧化制粉爐中，在過熱度為100°C，霧化氣壓5MPa條件下進行霧化，利用振動篩分機獲得粒徑分布在20?100 μ m的球形高熵合金粉末；
[0040](3)將步驟(I)得到的鋁基非晶合金粉末和步驟(2)得到的高熵合金粉末按照1:3的體積比裝入球磨罐中，并在Ar氣氛的手套箱中封罐，從手套箱中取出球磨罐后裝入球磨機中，不加球磨介質，在球磨機轉速為600r/min下混合15h后得到招基非晶/高熵合金混合粉末；
[0041](4)將步驟(3)得到的鋁基非晶/高熵合金混合粉末裝入YG15硬質合金模具中，然后利用放電等離子燒結技術，在升溫速率為100°C/min，燒結溫度為600°C，壓強為300MPa下進行燒結，保溫5min，然后降到室溫，得到鋁基非晶/高熵合金復合材料。
[0042]對本實施例制備得到的鋁基非晶/高熵合金復合材料進行的表征如下:
[0043]圖1為所制備的復合材料的XRD圖，其中Al3TlAlCu2Ti和Cu3Ti相為在制備過程中Al基非晶發生晶化現象而產生的晶化相，而體心立方BCC和面心立方FCC相則主要為復合材料中高熵合金衍射峰。圖2和圖3為所制備的復合材料在不同放大倍數下的SEM圖，可以看到材料組織結構為明顯的兩相，Al基非晶基體相和高熵合金顆粒，其中Al基非晶幾乎完全致密化，高熵合金顆粒仍然保持圓球形，兩相界面結合良好。從圖3高倍SEM圖中，可以發現在兩相之間存在明顯的過渡層，厚度約為5 μπι。利用阿基米德排水法測得復合材料的相對密度為98.3%。圖4為所制備的復合材料的應力應變曲線，所述復合材料抗壓強度達到3122MPa，綜合力學性能優異。
[0044]實施例2
[0045](I)將純度彡99.5%，粒徑彡50 μπι的Al、Fe和Ti金屬粉末按照原子百分比70:25:5裝入球磨罐中，球料比為15:1，在Ar氣氛的手套箱中向球磨罐中注入1ml甲苯，并封罐；從手套箱中取出球磨罐后裝入球磨機中，在600r/min的轉速下球磨35h，