【摘 要】
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铝基复合材料(AMCs)因其具有低密度、高强度和高弹性模量等优异性能,使其在轻质材料的结构应用方面显示出巨大的潜力。陶瓷颗粒(Al2O3,Ti B2,B4C和Si C等)具有高强度、高刚度和硬
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铝基复合材料(AMCs)因其具有低密度、高强度和高弹性模量等优异性能,使其在轻质材料的结构应用方面显示出巨大的潜力。陶瓷颗粒(Al2O3,Ti B2,B4C和Si C等)具有高强度、高刚度和硬度,通常用作AMCs中的强化相,但陶瓷颗粒与铝基体之间的界面结合比较差且复合材料难加工。近十几年来,高熵合金(HEA)由于其高强度、高硬度、良好的热稳定性和耐磨性且高熵合金增强体与铝基体之间具有良好的界面结合,因而受到广泛关注。本文采用机械合金化制备了Co Ni Fe Al0.4Ti0.6Cr0.5高熵合金颗粒,以及采用球磨-热压-热挤压工艺制备高熵合金颗粒增强6061铝基复合材料,并探讨了不同体积分数的高熵合金、不同球磨时间的复合材料粉末以及不同的热压温度对铝基复合材料的微观组织及力学性能的影响。主要结果如下:(1)采用机械合金化制备出纳米晶Co Ni Fe Al0.4Ti0.6Cr0.5高熵合金颗粒,平均粒径为12μm左右;采用球磨-热压-热挤压工艺制备出Co Ni Fe Al0.4Ti0.6Cr0.5高熵合金颗粒增强6061铝基复合材料。研究表明,热挤压工艺可明显改善复合材料的组织分布,显著减少热压样品中的HEA大颗粒团聚,且HEA颗粒沿着挤压轴方向呈带状分布,增强体和铝基体之间没有产生明显的界面反应。(2)加入纳米晶Co Ni Fe Al0.4Ti0.6Cr0.5高熵合金颗粒可显著提高铝基复合材料的强度。随着HEA颗粒体积分数的增加,复合材料的拉伸屈服强度先增大后减小。其中,6061Al-10HEA复合材料中增强相的组织分布较为均匀,可有效阻碍位错移动,拉伸屈服强度和断裂应变分别为179 MPa、12.3%,其屈服强度比6061铝基体(141 MPa)提高了27%。当HEA颗粒体积分数增加至15%、20%时,复合材料中有明显的HEA颗粒团聚现象及孔洞,尤其是6061Al-20HEA,严重降低了复合材料的力学性能。(3)球磨时间对复合材料的组织分布、晶粒结构及力学性能均产生重要影响。随着球磨时间的增加,HEA颗粒逐渐破碎,小颗粒增多,热挤压后增强相沿着热挤压轴呈带状分布的现象逐渐明显。其中6061Al-7.5HEA-10h复合材料的组织分布最均匀,热处理后其抗拉强度和断裂应变分别为378 MPa、8.4%。当球磨时间增加到20 h,抗拉强度和断裂应变均明显下降。这主要是由于HEA颗粒分布不均匀以及球磨时间较长引入较多氧化物导致。但是,当球磨时间长达40 h时,复合材料表现出最高的抗拉强度(385 MPa),且断裂应变(4.5%)接近6061Al-7.5HEA-20h复合材料的断裂应变(4.4%),这主要归因于6061Al-7.5HEA-40h复合材料基体中有明显的多尺寸晶粒结构,而这主要与细小的HEA颗粒簇与再结晶行为有关。该复合材料的强化机制有细晶强化、位错强化、载荷传递强化和Orowan强化,并以细晶强化为主。(4)随着热压温度的升高,高熵合金颗粒增强铝基复合材料的粉末流动性增加,孔洞逐渐减少,且基体-增强体界面层逐渐增厚。当热压温度为510℃时,获得适当厚度的界面层约0.4μm,复合材料的综合性能较好,拉伸屈服强度和断裂应变分别为198 MPa、9.5%。
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