一種內生納米陶瓷增強高熵合金復合材料及制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于金屬基復合材料技術領域，具體設及一種高賭合金復合材料及其制備 方法。
【背景技術】
[0002] 塊體高賭合金化EA)具有高強度、高硬度、低的彈性模量與大的彈性應變極限等一 系列不同于傳統晶態合金的優異力學性能，使得其被認為是極具潛力的結構材料。然而，高 脆性使得肥A材料在沒有明顯室溫宏觀塑性變形的情況下，W突然失效的方式發生災難性 斷裂;高脆性、高硬度對材料的加工帶來了極大困難。運些都嚴重地制約著皿A作為先進結 構材料在工程中的大規模應用。因此，室溫脆性、加工困難問題已經發展成為皿A材料應用 的重要瓶頸。 為改善肥A材料的室溫脆性及加工困難的問題，研究者們通過添加不同的金屬元素，采 用電弧烙鑄制備出枝晶偏析的塊體材料，運其中W添加 Cu效果明顯，其壓縮塑性應變達到 8%W內。隨后，張勇等人通過定向凝固技術制備出具有柱狀晶組織的高賭合金材料，其壓縮 初性有所提高；王艷蘋等采用電弧烙鑄制備了內生10vol.%TiC顆粒增強的CrFeCoNi化A1 高賭合金基復合材料（HEAMCs)，TiC成顆粒狀均勻分布在基體上，尺寸約為幾個微米。 化化CoNi化Ti-TiC復合材料的壓縮強度和硬度可分別達到2040MPa和746HV，壓縮塑性約 12%。但上述高賭合金材料的塑性的獲得，不是大幅度降低了強度就是在提高塑性方面并不 明顯。

【發明內容】

[0003] 本發明的目的在于提供一種高賭合金復合材料及制備方法，在保持其優異強度和 硬度的同時，提高復合材料的塑性。
[0004] 本發明的高賭合金復合材料，W高賭合金顆粒作為基體相，同時，在高能球磨過程 中，機械合金化能量促進原位反應生成納米陶瓷TiC:Ti+C--'"??TiC，使內生納米陶瓷相偏聚 在固溶體晶界處，產生陶瓷相增強，同時對初性的面屯、立方固溶體造成擠壓，形成形變李 晶，從而實現高賭合金復合材料的強塑結合，制備出高強高初的高賭合金復合材料。
[000引所述內生納米陶瓷增強高賭合金復合材料，其復合材料的合金成分原子比表達式 為：AlxFeCrC0yNi(Cu)mTiz /(1-15) vol0/0TiC，其中0<x<0.7,0<z<0.7且X+Z =0.7，l<y < 1.5，m為0或 1。
[0006] 所述內生納米陶瓷增強高賭合金復合材料的制備方法，具體包括W下步驟： ①原料選擇:所述A1、Fe、Cr、Co、Ni、Cu、Ti金屬粉末純度>99.9%，粒度< 45皿;所述碳粉 的純度〉99.9%，粒度<100皿。按照AlχFeCrCoyNi(Cu)mTiz/α-15)vol%TiC名義成分進行 稱量，將稱量好的金屬粉體及碳粉按順序置于不誘鋼或陶瓷球磨罐中，抽真空后充入高純 惰性氣體，W備球磨。
[0007] ②復合粉體制備:將步驟一中準備好的粉體在高能球磨機中進行機械合金化，干 磨轉速400~50化/min，干磨時間為40~5化，濕磨時間2~化，濕磨轉速為100~30化/min;濕磨 后，打開真空罐，真空干燥24~3化后，經50~lOOr/min球磨1~化，制備得到高賭合金復合粉 〇
[0008] ③復合材料致密化： 將上述高賭合金復合粉末置于石墨模具中，采用放電等離子燒結爐進行燒結，燒結溫 度為1000°C，燒結時間為lOmin，燒結時加壓30Mpa，真空度<8化;升溫速率為：600°C/4min; 600-900°C和900-1000°C的升溫速率分別為75°C/min和50°C/min;最后降至室溫，得到所述 高賭合金復合材料。
[0009] 采用XRD、TEM、力學性能試驗機等對所述高賭合金復合材料進行測試。
[0010] 本發明的內生納米陶瓷增強高賭合金復合材料，通過成分設計和制備工藝使合金 基體W高塑性面屯、立方固溶體(FCC)為主的高賭合金基體，同時內生納米陶瓷顆粒偏聚于 簡單固溶體晶界上，產生陶瓷增強相強化;在加熱、加壓固化過程中，陶瓷相對FCC相產生擠 壓變形效應，形成形變李晶，從而實現高賭合金復合材料的強塑結合，制備出高強高初的高 賭合金復合材料或按照模具內腔形狀成型的零件。
【附圖說明】
[0011] 圖巧實施例1制備的復合材料的TEM分析圖； 圖2為本發明復合材料的應力-應變曲線圖。
【具體實施方式】
[0012] 下面結合附圖對本發明做進一步描述。
[001引原料的選擇：按下表稱取純度為99.99%的41爪、吐、(：0、化、01、11金屬粉末和純度 為99.99%的碳粉，粒度< 45皿。
[0014] 表1制備復合材料選用金屬組元的質量，單位為g。
[0015] 實施例1 (1)復合粉體制備:按上表將準備好的粉體在高能球磨機中進行機械合金化，干磨轉速 為45化/min，干磨時間45h，濕磨時間化，濕磨轉速20化/min，制備得到高賭合金復合粉末。 具體步驟如下： a)將等待球磨的粉體放入不誘鋼磨罐中，W不誘鋼球作為研磨體，按照10:1的球粉質 量比球磨。球磨之前，先用真空機抽真空lOmin，之后充入0.5M化氣氣作為保護氣體;球磨機 的轉速為45化/min,并且每60min需要調整旋轉方向一次，在球磨化、1化、3化、4化分別取 樣。
[0016] b)將無水乙醇加入球磨4加的粉末中進行濕磨化。球磨結束之后，取出球磨罐，將 真空干燥箱打開，然后打開球磨罐罐蓋，并留出一定的間隙，將其放入干燥箱后關上箱口。 用真空機抽真空之后將溫度調節到50°C，經過24h干燥后取出。將經過干燥之后的粉體放入 球磨機中，W80r/min的轉速球磨1.化，制備得到高賭合金復合粉末篩分后取出待用。
[0017] (2)復合材料致密化:將上述高賭合金復合粉末置于石墨模具中，采用放電等離子 燒結爐進行燒結，燒結溫度為l〇〇〇°C:燒結時間為lOmin，燒結時加壓30Mpa，真空度<8化;升 溫速率為:600°(3/4111111;600-900°(3和900-1000°(3的升溫速率分別為75°(3/111111和50°(3/111111， 冷卻到室溫，制得所述高賭合金復合材料，其合金成分原子比表達式為Alo.7FeCrCoi.5Ni/ 15vol%TiC。
[001引（3)結構和性能表征，采用XRD、TEM、力學性能試驗機等對上述樣品進行測試。結合 圖1，內生TiC顆粒分布于晶界處，并在合金致密過程中對晶粒擠壓，造成形變李晶的出現， 其中圖la為形貌圖，圖化是李晶的選區衍射圖;所述復合材料的壓縮屈服強度、斷裂強度和 塑性應變分別達到2050 ± 15 Mpa，2410 ±15 MPa和17±0.50%，微觀硬度平均為650 ± 1 甜V。
[0019] 實施例2 按上表稱取合金粉體和碳粉，采用實施例1中相同的方法制備高賭合金復合材料，合金 成分為Alo.4FeCrCo化NiTi〇.3/5vol%TiC，所述復合材料的室溫壓縮斷裂強度和塑性應變分 別達到2220M化和22.8〇/〇。
[0020] 實施例3 按上表稱取合金粉體和碳粉，采用實施例1中相同的方法制備高賭合金復合材料，合金 成分為Fe化Co化NiTi〇.7/10vol%TiC，所述復合材料的室溫壓縮斷裂強度和塑性應變分別達 到 2310M 化和 20.4〇/〇。
【主權項】
1. 一種內生納米陶瓷增強高熵合金復合材料，其特征在于，所述復合材料的合金成分 原子比表達式為:Al xFeCrCoyNi(Cu)mTiz /(1-15) vol%TiC，其中0<χ<0·7,0<ζ <0.7且X +z =0.7，l<y<1.5，m為0或 1。2. -種制備權利要求1所述的內生納米陶瓷增強高熵合金復合材料的方法，其特征在 于，包括以下步驟： ① 將稱量好的金屬粉體及碳粉按順序置于不銹鋼或陶瓷球磨罐中，抽真空后充入高純 惰性氣體，以備球磨； ② 將上述粉體在高能球磨機中進行機械合金化，干磨轉速400~500r/min，干磨時間為 40~50h，濕磨時間2~5h，濕磨轉速為100~300r/min;濕磨后，打開真空罐，真空干燥24~36h 后，經50~100r/min球磨1~2h，制備得到高熵合金復合粉末； ③ 將上述高熵合金復合粉末置于石墨模具中，采用放電等離子燒結爐進行燒結，燒結 溫度為l〇〇〇°C，燒結時間為lOmin，燒結時加壓30Mpa，真空度<8Pa;升溫速率為：600°C/ 4min;600-900°C和900-1000°C的升溫速率分別為75°C/min和50°C/min;最后降至室溫，得 到所述高熵合金復合材料。3. 根據權利要求2所述的內生納米陶瓷增強高熵合金復合材料的制備方法，其特征在 于，所述六1、？6、(^、(：〇、附、〇1、1^金屬粉末的純度>99.9%，粒度<45以111 ;所述碳粉的純度> 99.9%，粒度<10(^111。
【專利摘要】本發明公開了一種內生納米陶瓷增強高熵合金復合材料及制備方法，以高熵合金顆粒作為基體相，同時，在高能球磨過程中，機械合金化能量促進原位反應生成納米陶瓷TiC，使內生納米陶瓷相偏聚在固溶體晶界處，產生陶瓷相增強，同時對韌性的面心立方固溶體造成擠壓，形成形變孿晶，從而實現高熵合金復合材料的強塑結合，制備出高強高韌的高熵合金復合材料，在保持其優異強度和硬度的同時，提高復合材料的塑性。
【IPC分類】B22F3/105, B22F9/04, C22C30/02, C22C32/00, C22C30/00, C22C1/05
【公開號】CN105543621
【申請號】CN201610030430
【發明人】楊少鋒, 張炎, 劉明, 嚴星, 楊堃
【申請人】南京工程學院
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2016年1月18日