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技术

技术编号:14945935 阅读:159 留言:0更新日期:2017-04-01 12:17
本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属基复合材料
,具体涉及一种高熵合金复合材料的制备方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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:AlxFeCrCoyNi(Cu)mTiz,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。本专利技术与现有技术相比,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是本专利技术实施例1制备的高熵合金复合材料TEM图;图2是本专利技术实施例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专利技术做进一步说明。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AlFeCrCoCuNiTiAl2O3TiCSiC实施例110.856525905914.412.0300实施例218.9565288.5059009.850实施例30565259645933.60015.04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Al0.4FeCrCo1.5NiTi0.3(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,本专利技术所制备的外加纳米陶本文档来自技高网...

【技术保护点】
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,其特征在于,包括以下步骤:①按照复合材料预定成分进行配比,选取合金粉体及纳米陶瓷粉体;所述合金粉体原子式为AlxFeCrCoyNi(Cu)mTiz ,其中0≤x≤0.7,0≤z≤0.7,x+z =0.7,1≤y≤1.5,m为0或1;②在氩气保护气氛下采用高能球磨机将上述合金粉体及纳米陶瓷粉体混合及机械合金化,其中干磨转速400~500r/min,干磨时间为40~50h,湿磨时间2~5h,湿磨转速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,得到所述高熵合金复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种外加纳米陶瓷相增强韧化高熵合金复合材料制备方法,其特征在于,包括以下
步骤:
①按照复合材料预定成分进行配比,选取合金粉体及纳米陶瓷粉体;所述合金粉体原
子式为AlxFeCrCoyNi(Cu)mTiz,其中0≤x≤0.7,0≤z≤0.7,x+z=0.7,1≤y≤1.5,m为0或
1;
②在氩气保护气氛下采用高能球磨机将上述合金粉体及纳米陶瓷粉体混合及机械合
金化,其中干磨转速400~500r/min,干磨时间为40~50h,湿磨时间2~5h,湿磨转速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将上述高熵合金基复合粉末置于石墨或硬质合金...

【专利技术属性】
技术研发人员:杨少锋张炎韦维杨堃刘明
申请(专利权)人:南京工程学院
类型:发明
国别省市:江苏;32

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