制备高熵合金颗粒增强型细晶铝基复合材料的方法及装置制造方法及图纸

制备高熵合金颗粒增强型细晶铝基复合材料的装置及其方法，属于铝基复合材料技术领域，本装置在搅拌摩擦焊机工作平台上固定设置有水槽，水槽上设置有进水口和出水口，夹具安装在水槽中，铝合金板压紧于夹具上。制备方法如下：首先，对铝合金板的待加工表面打磨后冲制盲孔；其次，压实的高熵合金粉末填满盲孔；再次，采用无针搅拌头对盲孔上部进行密封处理；最后，启动冷却水系统，有针搅拌头在水下进行搅拌摩擦加工，打磨、砂光处理制得高熵合金颗粒增强型细晶铝基复合材料层。本发明专利技术搅拌摩擦加工采用水下冷却加工制备，制得的复合材料晶粒细小，高熵合金颗粒不仅可以均匀分布于铝合金基体中而且有效的减小了高熵合金颗粒与基体的界面反应。

Method and device for preparing high entropy alloy particle reinforced fine grain aluminum matrix composite

【技术实现步骤摘要】
制备高熵合金颗粒增强型细晶铝基复合材料的方法及装置
本专利技术属于铝基复合材料
，具体涉及的是一种制备高熵合金颗粒增强型细晶铝基复合材料的方法及装置。
技术介绍
铝合金由于其高的比强度、高的比模量和优异的抗腐蚀性能等，在汽车、船舶和航空航天工业中展现出良好的应用前景。但是，铝合金的低强度、低模量，低的耐磨抗力等不足限制了其在结构领域的应用。在铝合金中加入颗粒增强相制备铝基复合材料，可以有效的提高铝合金的强度、硬度和耐磨性。陶瓷材料因其高的硬度和耐磨性，往往被用来作为铝基复合材料的颗粒增强相；但由于陶瓷与金属基体热物理性能的差异，会造成界面结合强度低、易产生脆性相等问题，而且陶瓷颗粒自身变形能力差，在提高材料强度的同时，使得复合材料的变形能力降低。高熵合金具有强度高、杨氏模量大，其与金属基体间的金属-金属界面良好的润湿性等优点，用来代替陶瓷颗粒制备复合材料可以兼顾强度和塑性。目前常用的复合材料的制备方法包括：放电等离子烧结技术、激光表面注入等技术，这些技术在复合材料的制备过程中，都难以避免在高熵合金颗粒与基体界面产生严重的界面反应，从而使得制备出的复合材料界面脆性增加，塑性恶化。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，提高铝合金的强度、硬度、耐磨性和变形能力，本专利技术提供一种制备高熵合金颗粒增强型细晶铝基复合材料的方法及装置。本专利技术的设计构思为：搅拌摩擦加工作为一种固相加工技术，具有加工温度低、加热时间短等特点；同时将搅拌摩擦焊接过程在水下进行，一方面可以最大程度减少或者抑制高熵金属颗粒与基体的界面反应，改善材料的塑性；另一方面可以有效减少加工后再结晶晶粒的长大，从而实现细晶强化。因此，采用水下搅拌摩擦加工技术制备高熵合金颗粒增强细晶铝基复合材料，能够提高铝合金的强度、硬度、耐磨性和变形能力，可以得到性能优良的铝基复合材料。本专利技术通过以下技术方案予以实现。制备高熵合金颗粒增强型细晶铝基复合材料的装置，其中：搅拌摩擦焊装置的工作平台上固定设置有水槽，水槽的前侧面上设置有进水口，水槽的后侧面上设置有出水口，进水口与出水口关于水槽中心对称；夹具安装在水槽中，所述夹具包括垫块、压块和锁紧螺栓，垫块固定安装于水槽中，垫块的前后两端分别设置有压块，锁紧螺栓分别设置于垫块的首尾两端，锁紧螺栓将待加工铝合金板压紧于压块与垫块之间。采用上述装置制备高熵合金颗粒增强型细晶铝基复合材料的方法，包括以下步骤：S1、铝合金板表面预处理若铝合金板的厚度≤5mm，打磨铝合金板任一侧表面作为待加工表面，若铝合金板的厚度为5＜厚度≤10mm，分别打磨铝合金板上下两侧表面作为待加工表面，直至待加工表面粗糙度为0.8µm，然后在铝合金板的待加工表面上冲制若干直径为1.5~3mm的盲孔，盲孔间距为0.5~1mm，若铝合金板的厚度≤5mm时，盲孔孔底与铝合金底板底面之间的距离为0.5mm，若铝合金板的厚度为5＜厚度≤10mm，盲孔孔底与铝合金底板中心线之间的距离为0.5mm；S2、将粒径为15~53µm的高熵合金粉末填入步骤S1冲制的盲孔中，采用圆柱棒将填入盲孔中的高熵合金粉末压实，圆柱棒与盲孔内壁间隙配合，重复操作本步骤S2多次，直至压实的高熵合金粉末填满盲孔；S3、将步骤S2制得的填实高熵合金粉末后的铝合金板装卡在水槽内的夹具上，采用无针搅拌头对待加工表面上盲孔的开口处进行密封处理，无针搅拌头的旋转速度为1000~1400rad/min，行进速度为40~60mm/min，压入量为0.3~0.5mm，倾斜角为0~3°，盲孔开口处制得密封层，防止加工过程盲孔内高熵合金粉末逸出；S4、启动冷却水系统，冷却水持续由水槽的进水口流入，然后由出水口排出，冷却水流速为2000~4500L/h，冷却水循环过程中保证铝合金板全部浸没在水中，并且铝合金板的浸没深度不小于20mm；搅拌摩擦焊装置控制有针搅拌头，移动至铝合金板待加工面的上方，有针搅拌头在水下进行3~5道次搅拌摩擦加工，每次有针搅拌头行进方向均与前次方向相反，有针搅拌头旋转速度为1000~1400rad/min，行进速度为40~60mm/min，压入量为0.3~0.5mm，倾斜角为0~3°；S5、打磨、砂光处理：有针搅拌头经过3~5道次搅拌摩擦加工后移出加工工位，拧松夹具将制备出的铝基复合板置于钢质平板上，用砂纸打磨周边及加工后的表面，制得高熵合金颗粒增强型细晶铝基复合材料层。进一步地，所述铝合金板的材质为5083Al，所述高熵合金粉末的材质为AlCoCrFeNi高熵合金粉。与现有技术相比本专利技术的有益效果为：1、本专利技术搅拌摩擦加工制备铝基复合材料采用水下冷却加工制备，使得通过搅拌摩擦加工方法制备的复合材料晶粒细小，多道加工使复合材料中高熵合金颗粒可以均匀分布于铝合金基体中。2、基于高熵合金与铝合金的性能优势，水下搅拌摩擦加工制备的复合材料具有细晶特征；同时，本专利技术在加工过程中温度较低，不满足高熵合金与铝合金基体界面反应温度，从而界面反应层较薄，避免了界面反应层使复合材料性能下降的危害；与现有技术相比，该方法可以得到细晶复合材料，界面结合强度较高，可以应用于复合材料的制备中。附图说明图1为本专利技术制备高熵合金颗粒增强型细晶铝基复合材料的水下搅拌摩擦加工装置整体结构示意图。图2为盲孔上部密封处理过程铝合金板剖视结构示意图。图3为实施例一、二的搅拌摩擦加工过程铝合金板剖视结构示意图。图4为实施例三的搅拌摩擦加工过程铝合金板剖视结构示意图。图5为实施例一制得的高熵合金颗粒增强铝基复合材料中高熵合金颗粒分布的SEM微观形貌图。图6为实施例二制得的高熵合金颗粒增强铝基复合材料中高熵合金颗粒分布的SEM微观形貌图。图7为实施例三制得的高熵合金颗粒增强铝基复合材料中高熵合金颗粒分布的SEM微观形貌图。图8为实施例一、实施例二以及实施例三制得的高熵合金颗粒增强铝基复合材料硬度值。图9为铝合金基体的晶粒尺寸分析图，图中放大倍数为3000倍。图10为实例三制备的高熵合金颗粒增强铝基复合材料晶粒尺寸分析图，图中放大倍数为3000倍。图11为高熵合金颗粒增强铝基复合材料力学性能分析图，图中实线表示铝合金基体力学性能曲线，虚线表示高熵合金颗粒增强铝基复合材料力学性能曲线。图中，1为工作平台，2为水槽，3为进水口，4为出水口，5为垫块，6为压块，7为有针搅拌头，8为铝合金板，9为盲孔，10为密封层，11为无针搅拌头，12为高熵合金颗粒增强型细晶铝基复合材料层。具体实施方式以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。若未特别指明，实施例均按照常规实验条件。另外，对于本领域技术人员而言，在不偏离本专利技术的实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种修改或改进，均属于本专利技术要求保护的范围。实施例一本实施例一中使用的试验原料为：铝合金板、AlCoCrFeNi高熵合金粉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.制备高熵合金颗粒增强型细晶铝基复合材料的装置，其特征在于：搅拌摩擦焊装置的工作平台（1）上固定设置有水槽（2），水槽（2）的前侧面上设置有进水口（3），水槽（2）的后侧面上设置有出水口（4），进水口（3）与出水口（4）关于水槽（2）中心对称；夹具安装在水槽（2）中，所述夹具包括垫块（5）、压块（6）和锁紧螺栓，垫块（5）固定安装于水槽（2）中，垫块（5）的前后两端分别设置有压块（6），锁紧螺栓分别设置于垫块（5）的首尾两端，锁紧螺栓将待加工铝合金板（8）压紧于压块（6）与垫块（5）之间。/n

【技术特征摘要】
1.制备高熵合金颗粒增强型细晶铝基复合材料的装置，其特征在于：搅拌摩擦焊装置的工作平台（1）上固定设置有水槽（2），水槽（2）的前侧面上设置有进水口（3），水槽（2）的后侧面上设置有出水口（4），进水口（3）与出水口（4）关于水槽（2）中心对称；夹具安装在水槽（2）中，所述夹具包括垫块（5）、压块（6）和锁紧螺栓，垫块（5）固定安装于水槽（2）中，垫块（5）的前后两端分别设置有压块（6），锁紧螺栓分别设置于垫块（5）的首尾两端，锁紧螺栓将待加工铝合金板（8）压紧于压块（6）与垫块（5）之间。


2.采用如权利要求1所述的装置制备高熵合金颗粒增强型细晶铝基复合材料的方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、铝合金板（8）表面预处理
若铝合金板（8）的厚度≤5mm，打磨铝合金板（8）任一侧表面作为待加工表面，若铝合金板（8）的厚度为5＜厚度≤10mm，分别打磨铝合金板（8）上下两侧表面作为待加工表面，直至待加工表面粗糙度为0.8µm，然后在铝合金板（8）的待加工表面上冲制若干直径为1.5~3mm的盲孔（9），盲孔（9）间距为0.5~1mm，若铝合金板（8）的厚度≤5mm时，盲孔（9）孔底与铝合金板（8）底面之间的距离为0.5mm，若铝合金板（8）的厚度为5＜厚度≤10mm，盲孔（9）孔底与铝合金板（8）中心线之间的距离为0.5mm；
S2、将粒径为15~53µm的高熵合金粉末填入步骤S1冲制的盲孔（9）中，采用圆柱棒将填入盲孔（9）中的高熵合金粉末压实，圆柱棒与盲孔（9）内壁间隙配合，重复操作本步骤S2多次，直至...

【专利技术属性】
技术研发人员：张红霞，杨潇，闫志峰，董鹏，程步云，王文先，段荣，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14