一种外加纳米陶瓷相增强韧化高熵合金复合材料制备方法

摘要

本发明公开了一种外加纳米陶瓷相增强韧化高熵合金复合材料制备方法，以高熵合金颗粒作为基体相，同时外加纳米陶瓷，使外加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。所述高强韧的无加工余量的高熵合金复合材料，该复合材料具有显著的高强度、高硬度和优异的压缩强度及塑性。

说明书

技术领域

本发明属于金属基复合材料技术领域，具体涉及一种高熵合金复合材料的制备方 法。

背景技术

块体高熵合金(HEA)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HEA材料在没有明显室温宏观塑性变形的情况下，以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。这些都严重地制约着HEA作为先进结 构材料在工程中的大规模应用。因此，室温脆性、加工困难问题已经发展成为HEA材料应用 的重要瓶颈。

为改善HEA材料的室温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 用电弧熔铸制备出枝晶偏析的块体材料，这其中以添加Cu效果明显，其压缩塑性应变达到 8%以内。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熵合金材料，其压缩 韧性有所提高；王艳苹等采用电弧熔铸制备了内生10vol.%TiC颗粒增强的CrFeCoNiCuAl 高熵合金基复合材料（HEAMCs），TiC成颗粒状均匀分布在基体上，尺寸约为几个微米。 CrFeCoNiCuTi-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%。但上述高熵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

本发明的目的在于提供一种高熵合金复合材料，在保持其优异强度和硬度的同 时，提高复合材料的塑性。

本发明的高熵合金复合材料，以高熵合金颗粒作为基体相，同时外加纳米陶瓷，使 外加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。

所述外加纳米陶瓷相增强韧化高熵合金复合材料的制备方法，具体包括以下制备 步骤：

①按照复合材料预定成分进行配比，选取高纯的合金粉体及适当的纳米陶瓷粉体。所 述合金粉体原子式为：Al_xFeCrCo_yNi(Cu)_mTi_z，其中0≤x≤0.7，0≤z≤0.7，x+z=0.7，1≤y ≤1.5，m为0或1。

所述Al、Fe、Cr、Co、Ni、Cu、Ti金属粉末的纯度>99.9%，粒度≤45μm。

所述纳米陶瓷粉体为Al₂O₃、TiC、SiC，纯度>99.9%，粒度≤100nm。以合金粉体的体 积为100%计，纳米陶瓷粉体的体积为1~20%。

②在氩气保护气氛下采用高能球磨机将合金粉体及纳米陶瓷粉体混合及机械合 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将高熵合金基复合粉末置于石墨或硬质合金模具中烧结，加压30-80MPa，加热 至1000-1150℃，保温10-30min，进行高熵合金粉体致密化处理（设备选用真空热压炉或等 离子放电烧结炉（SPS）），得到所述高熵合金复合材料。

采用XRD、TEM、力学性能试验机等对所述高熵合金复合材料进行测试。

本发明与现有技术相比，其显著优点：通过成分设计和制备工艺使合金基体以高 塑性面心立方固溶体（FCC）为主的高熵合金基体，同时外加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 合材料或按照模具内腔形状成型的零件。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的高熵合金复合材料TEM图；

图2是本发明实施例1制备的高熵合金复合材料的力学性能曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

按下表称取纯度为99.99%，粒度≤45μm的Al、Fe、Cr、Co、Ni、Cu、Ti合金粉体和纯度 为99.99%的纳米陶瓷粉体，粒度≤20μm。

表1制备复合材料选用金属组元的质量，单位为g。

合金元素 Al Fe Cr Co Cu Ni Ti Al₂O₃TiC SiC 实施例1 10.8 56 52 59 0 59 14.4 12.03 0 0 实施例2 18.9 56 52 88.5 0 59 0 0 9.85 0 实施例3 0 56 52 59 64 59 33.6 0 0 15.04

实施例1

（1）在氩气保护气氛下采用高能球磨机将上述合金粉体和Al₂O₃混合及机械合金化，干 磨转速为450r/min，干磨时间45h，湿磨时间5h，湿磨转速200r/min，制备具有简单固溶体合 金基体的复合粉末。具体步骤如下：

a）将等待球磨的粉体放入不锈钢磨罐中，以不锈钢球作为研磨体，按照10:1的球粉质 量比球磨。球磨之前，先用真空机抽真空10min，之后充入0.5MPa氩气作为保护气体；球磨机 的转速为450r/min，并且每60min需要调整旋转方向一次，在球磨5小时、15小时、30小时、45 小时分别取样。

b）将无水乙醇加入球磨45小时的粉末中进行湿磨5h。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 门，用真空机抽真空之后温度调节到50℃，经过24h干燥后取出。将经过干燥之后的粉体放 入球磨机中，以80r/min的转速球磨1h，得到高熵合金复合粉末筛分后取出待用。

（2）将机械合金化后的复合粉末置于石墨模具中进行烧结，加压30MPa，加热至 1000℃，保温30min，制得所述高熵合金复合材料，其合金成分原子比表达式为 Al_0.4FeCrCo_1.5NiTi_0.3(原子比)-8vol%Al₂O₃。

（3）结构和性能表征

图1为复合材料的TEM图，可见，颗粒度小于10nm的氧化铝颗粒聚集在晶界处，出现大量 形变孪晶组织，并且形变孪晶周围均有陶瓷颗粒存在。

图2为复合材料的压缩应力-应变曲线，可以看出复合材料的压缩屈服强度、断裂 强度和塑性应变分别达到2025±20Mpa，2250±15MPa和20±0.50%，微观硬度平 均为683±16Hv，并且在变形的塑性变形初期阶段具有明显的孪晶形变行为。

上述事实表明，相比已有的高熵合金复合材料及其工艺，本发明所制备的外加纳 米陶瓷相强韧化高熵合金复合材料组织均匀，无铸造缺陷，实现了强度和塑性的良好结合， 并且可以用于制备近净成形的高熵合金基复合材料零件。

实施例2

按上表称取合金粉体和纳米陶瓷粉体，采用实施例1中相同的方法制备高熵合金复合 材料，合金成分为Al_0.7FeCrCo_1.5Ni(原子比)-TiC5vol%，该复合材料的室温压缩断裂强度 和塑性应变分别达到2180MPa和22.4%。

实施例3

按上表称取合金粉体和纳米陶瓷粉体，采用实施例1中相同的方法制备高熵合金复合 材料，合金成分为FeCrCoCuNiTi_0.7(原子比)-SiC10vol%，该复合材料的室温压缩断裂强度 和塑性应变分别达到2290MPa和21.4%。