一種高熵合金顆粒增強鋁基復合材料及其攪拌鑄造制備工藝的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于金屬基復合材料制造領域，特別涉及一種高熵合金顆粒增強鋁基復合材料及其攪拌鑄造制備工藝。
【背景技術】
[0002]鋁基復合材料具有質量輕、比強度高、熱穩定性和導電導熱性優異、低的熱膨脹系數以及良好的耐磨性，在航空航天、汽車、電子、交通運輸等領域具有廣闊的應用背景。目前用作承載結構的鋁基復合材料屬于低體積分數復合材料，增強相多為陶瓷顆粒/纖維、金屬顆粒/纖維及其它材料等，其含量在0?35%之間。低體積分數鋁基復合材料具有高的強度和良好的韌性，但其存在材料設計理論、制備成形工藝方面如陶瓷顆粒增強體與鋁基體之間浸潤性差、界面結合不良以及顆粒分布不均等困難，嚴重影響了結構用鋁基復合材料的大規模生產與推廣應用。高熵合金具有高的強度、良好的熱穩定性、較高的耐磨性和耐腐蝕性等性能，是一種應用前景極好的結構、功能材料。源于金屬-金屬間天然的界面結合特性，高熵合金與鋁合金基體間的界面潤濕性與界面相容性極好。研究表明，采用高熵合金作為增強相來增強增韌鋁合金，可以解決陶瓷顆粒增強體與鋁基體之間浸潤性差、界面結合不良等問題。同時，有報道表明采用攪拌鑄造工藝可以很好解決顆粒分布不均等問題。目前，已有采用固態法(包括粉末冶金工藝、熱擠壓工藝、熱壓燒結以及SPS燒結等)制備高熵合金顆粒增強鋁基復合材料的報道，然而現有工藝在制備成形大尺寸高熵合金顆粒增強鋁基復合材料塊體方面存在較大的難度，液態法則在制備成形大尺寸復合材料方面具有很大的優勢，也是工業化生產的首選工藝。然而，迄今為止尚無采用液態法(包括攪拌鑄造工藝)制備高熵合金顆粒增強鋁基復合材料的報道。
【發明內容】
[0003]為了克服現有技術中顆粒增強鋁基復合材料的設計理論與工業用大尺寸復合材料制備成形工藝的缺點與不足，本發明的首要目的在于提供一種高熵合金顆粒增強鋁基復合材料的攪拌鑄造制備工藝。本發明的制備工藝是一種液態法制備高熵合金顆粒增強鋁基復合材料的新工藝，即攪拌鑄造工藝，包含高熵合金顆粒制備、粉末篩分與封裝、攪拌鑄造成形復合材料等關鍵步驟，解決目前結構用高熵合金顆粒增強鋁基復合材料規模化生產和應用的難題。
[0004]本發明的另一目的在于提供采用上述制備工藝得到的高熵合金顆粒增強鋁基復合材料。
[0005]本發明的目的通過下述技術方案實現:
[0006]—種高熵合金顆粒增強鋁基復合材料的攪拌鑄造制備工藝，其材料成分與組成特征在于:基體為各種招合金，包括變形招合金，如]^11、2111、4111、5111、6111、7111合金以及Al-Li合金;基體還包括鑄造鋁合金，如Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、A1_RE系和Al_Zn系。增強相為高熵合金顆粒，包括AlCoCrFeNiTi系、AlCoCrCuFeNi系、AlCoCrCuFeNiTi系、AlCoCuFeNi和AlCoCrFeNi系等高熵合金;其中，高熵合金顆粒增強相的體積分數在0.1 %?35 %之間，鋁合金基體的體積分數在65 %?99.9 %之間，且二者之和等于1。
[0007]一種高熵合金顆粒增強鋁基復合材料的攪拌鑄造制備工藝，其制備成形工藝特點是:采用機械合金化制備高熵合金粉末并篩分，獲得高熵合金顆粒;采用與基體同材質的鋁合金管密封高熵合金顆粒，并將分段稱量好的鋁合金管添加進熔融的基體;采用攪拌方式分散基體熔體中的高熵合金顆粒;采用鑄造工藝制備成形高熵合金顆粒增強鋁基復合材料。本發明用攪拌鑄造成型工藝的示意圖如附圖1所示，制備工藝流程如附圖2所示。
[0008]本發明所述高熵合金顆粒增強鋁基復合材料的攪拌鑄造制備工藝，具體包括以下步驟:
[0009]步驟一:制備高熵合金粉末
[0010]按照高熵合金的成分，將五種或五種以上的純金屬粉末按照各自不同摩爾原子比和質量分數，計算出高熵合金中各成分的含量，并用電子天平稱量出相應質量，然后在混粉機上混粉6?24h，混合均勻后裝進不銹鋼球磨罐中，抽真空并在氬氣保護氣氛下，在行星球磨機上進行機械合金化，球料比為8: 1，合金化時間為6?60h ；轉速為150r/ min?600r/ min ；過程控制劑為無水乙醇，溫度為室溫，合金化完成后獲得高熵合金粉末。
[0011]步驟二:顆粒篩分與封裝
[0012]將步驟一獲得的高熵合金粉末用標準目數的篩子進行篩分，獲得粒徑分布為10?500μπι的高熵合金顆粒;將分選后的高熵合金顆粒裝入直徑為5?50_的與基體同材質的鋁合金管中，在常溫下壓實并進行分段密封。
[0013]步驟三:攪拌鑄造成形復合材料
[0014]將鋼模和密封的鋁合金管在200?300°C下保溫1?2h，將基體熔化并于680°C?780°C保溫20?40min，將封裝有高熵合金顆粒的鋁合金管分段稱量后添加到熔融基體中，精煉、除氣、除渣，以100?500r/min的速度攪拌基體熔體10?40min，隨后澆鑄成型、脫模，獲得高熵合金顆粒增強鋁基復合材料。
[0015]—種高熵合金顆粒增強鋁基復合材料，通過上述攪拌鑄造制備工藝制備得到。
[0016]本發明制備方法的原理為:本發明涉及的高熵合金顆粒在高溫(1200°C)下，結構穩定，從而避免了一般增強相的界面化學反應的發生和脆性相的形成，加之復合材料中高熵合金粉末與鋁合金基體可以形成原子半共格的物理結合型界面，界面結合強度高、界面潤濕性好。同時，采用與基體鋁合金同材質的鋁合金管密封高熵合金顆粒來添加進熔融的鋁合金，并采用攪拌方式分散鋁合金熔體中的高熵合金顆粒，可以獲得顆粒分布均勻、彌散的微觀組織以及良好的力學和物理性能，有助于產品質量穩定與規模化生產。
[0017]本發明相對于現有技術具有如下的優點及效果:
[0018](1)本發明涉及的高熵合金粉體高溫穩定性好，抗氧化性較強，表面不需要進行化學處理和清洗。
[0019](2)本發明涉及的液態法工藝，其高熵合金粉末與鋁合金基體潤濕性好，形成擴散結合型界面;界面干凈平整，沒有明顯的反應層，界面結合強度高。
[0020](3)本發明涉及的攪拌鑄造制備成形工藝可以有效降低增強相高熵合金顆粒的團聚現象，獲得顆粒分布均勻、彌散，鑄造缺陷少的鋁基復合材料。
[0021](4)本發明涉及的攪拌鑄造制備成形工藝過程簡單，設備成本低，適合于規模化和標準化生產。
[0022](5)本發明涉及的復合材料制備工藝簡單且粉體無需處理，制取的復合材料組織中高熵合金顆粒分布均勻、彌散，高熵合金和鋁合金界面結合相容性好，具有良好的強度和韌性，制備工藝成本低且穩定性好，適合批量化生產和標準化生產，具有良好的推廣應用前景。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發明涉及的攪拌鑄造成型工藝的設備結構示意圖。
[0024]圖2是本發明涉及的拌鑄造成型工藝的制備工藝流程圖。
[0025]圖3是實施例1制備的高熵合金/6061A1的金相組織圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。
[0027]實施例1
[0028]步驟一:制備高熵合金粉末
[0029]首先，增強相選用AlCoCuFeNi系高熵合金顆粒，高熵合金的具體成分為Al0.25CoCu0.75FeNi，根據高熵合金Al0.25CoCu0.75FeNi中各主要兀素的摩爾原子比和質量分數，分別計算出各成分的質量為純A1粉18.38g，純Co粉160.56g，純Cu粉133.94g，純Fe粉152.19g，純Ni粉159.94g，并用電子天平稱取相應質量，將其在混粉機上混粉24h，混合均勻后裝進不銹鋼球磨罐中，抽真空、充氬氣，隨后在行星球磨機上球磨60h，球料比為8:1，轉速為200r/min，過程控制劑為無水乙醇，制備出高熵合金粉末。
[0030]步驟二:顆粒篩分與封裝
[0031 ]將步驟一得到的高熵合金粉末用標準目數的篩子進行篩分，得到平均粒徑為30μπι的高熵合金顆粒;將30μπι的高熵合金顆粒裝入直徑為5mm的6061鋁合金管中，在常溫下壓實并分段封裝。
[0032]步驟三:攪拌鑄造工藝制備復合材料
[0033]AlQ.25CoCuQ.75FeNi高熵合金的體積分數為2%;鋁合金基體為6061A1，體積分數為98%;計算封裝有高熵合金顆粒的6061鋁合金管的質量為117g，并用電子天平稱取。將鋼模和封裝有高熵合金顆粒的6061鋁合金管在250°C保溫2h，將2Kg的6061A1棒材于720°C熔化后保溫30min，將分段封裝的6061鋁合金管加入熔融的鋁液中，精煉、除渣、除氣，以300r/min的攪拌速度攪拌lOmin后澆鑄成型、脫模，獲得高熵合金顆粒增強鋁基復合材料。拉伸試驗結果表明，復合材料的抗拉強度為187MPa，延伸率為HJ^^AloiCoCuo^FeNi高熵合金顆粒增強鋁基復合材料的金相組織如圖3所示，顆粒在基體中分散均勻，沒有明顯的反應層，界面結合良好。
[0034]實施例2
[0035]步驟一:制備高熵合金粉末
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