一種高熵合金增強的鋁基複合材料及其製備方法

《一種高熵合金增強的鋁基複合材料及其製備方法》是華南理工大學於2014年11月6日申請的專利，該專利的申請號為2014106215492，公布號為CN104388764A，授權公布日為2015年3月4日，發明人是朱德智、陳奇、丁霞。

《一種高熵合金增強的鋁基複合材料及其製備方法》屬於複合材料技術領域，公開了一種高熵合金增強的鋁基複合材料及其製備方法。所述複合材料以高熵合金為增強相，以鋁合金為基體，其製備方法為：將高熵合金顆粒和鋁合金粉末裝進球磨罐中並密封，混粉5～25小時得到混合物料，將混合物料裝進包套，在室溫下施加壓力為5～15兆帕，把包套內的混合物料壓實成坯料，將壓實後的坯料放到熱擠壓設備中，預熱坯料至400～480℃，預熱模具至200～400℃，坯料及模具保溫1～3小時預熱完成，然後在擠壓壓力為5～15兆帕，擠壓比為4～25的條件下熱擠壓成型，得到高熵合金增強的鋁基複合材料。

2018年12月20日，《一種高熵合金增強的鋁基複合材料及其製備方法》獲得第二十屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《一種高熵合金增強的鋁基複合材料及其製備方法》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種高熵合金增強的鋁基複合材料及其製備方法
• 公布號：CN104388764A
• 授權日：2015年3月4日
• 申請號：2014106215492
• 申請日：2014年11月6日
• 申請人：華南理工大學
• 地址：廣東省廣州市天河區五山路381號
• 發明人：朱德智、陳奇、丁霞
• Int.Cl.：C22C21/00(2006.01)I、C22C1/04(2006.01)I
• 代理機構：廣州市華學智慧財產權代理有限公司
• 代理人：張燕玲
• 類別：發明專利

專利背景

顆粒增強鋁基複合材料具有高比強度、高比模量、耐磨性及尺寸穩定好等優異的性能。作為一種新型的結構與功能材料，在航空航天、軍工、電子、儀表儀器等領域具有廣泛的套用前景。然而，由於顆粒增強鋁基複合材料塑性和韌性較差，這限制了其在結構材料方面的套用。如何提高其塑性和韌性，一直是研究者追求的目標。

關於顆粒增強鋁基複合材料設計與製備工藝方面的研究較為深入，主要涉及增強相選擇、增強相與基體合金界面設計及相應的製備工藝設計等方面。採用高強高硬的陶瓷顆粒增強鋁合金是最常見的做法，如SiC顆粒、Al2O3顆粒和SiO2顆粒等，且獲得了產業化。雖然陶瓷增強相可以極大提高鋁合金基體的強度，但是會導致其韌性和塑性急劇降低。為了獲得良好的綜合性能（高強度、高塑性），通常會限制陶瓷增強相的含量（陶瓷增強相的含量不會超過25％）。這又會帶來另一方面的問題，即顆粒分布不均勻，容易形成團聚和裂紋源。在製備工藝方面，壓鑄工藝和壓力浸滲工藝是複合材料成型過程中使用最廣泛的。上述工藝中鋁液溫度較高，陶瓷增強相與鋁合金基體界面反應嚴重，加之陶瓷增強相與鋁合金的界面潤濕性差，導致其界面結合強度低。為了提高二者之間的界面結合強度，一般需要對陶瓷增強相和金屬基體進行改性處理，這進一步增加了製備過程的複雜性與成本。因此，合適的增強相材料與製備工藝成為決定顆粒增強型鋁基複合材料強度和塑性的關鍵。

傳統的合金體系均以一種或兩種元素為主要組元，合金的晶體結構、性能等均受制於主要元素。上世紀90年代中期，中國台灣學者葉均蔚教授率先打破傳統合金的設計理念，採用多種主要元素設計合金，即多主元高熵合金。由於其獨特的顯微結構特徵，使得高熵合金具有高硬度、高強度、耐磨、耐腐蝕、高溫熱穩定以及特殊的磁、電性能等眾多優異性能。源於金屬-金屬間天然的界面結合特性，高熵合金與鋁合金基體間的界面潤濕性與界面相容性好。若能採用高熵合金作為增強相來增強增韌鋁合金，將突破傳統陶瓷增強相增強與增韌的瓶頸，實現材料強度和塑性的同時提升。然而，截至2014年11月尚無採用高熵合金粉體增強相製備高強韌鋁基複合材料的文獻報導。

發明內容

改善效果

《一種高熵合金增強的鋁基複合材料及其製備方法》的首要目的在於提供一種高熵合金增強的鋁基複合材料。

《一種高熵合金增強的鋁基複合材料及其製備方法》的另一目的在於提供上述鋁基複合材料的製備方法。

技術方案

《一種高熵合金增強的鋁基複合材料及其製備方法》目的通過以下技術方案實現：

一種高熵合金增強的鋁基複合材料，所述複合材料以高熵合金為增強相，以鋁合金為基體。

所述的高熵合金的體積分數為5％～35％，鋁合金的體積分數為65％～95％。

所述的高熵合金優選AlCrFeNiCoTi系、AlCrFeNiCoCu系或AlCrFeNiCo系高熵合金。

所述鋁合金優選2xxx系、5xxx系、6xxx系、7xxx系鋁合金或Al-Li合金。

上述高熵合金增強的鋁基複合材料的製備方法，包括以下步驟：

（1）混粉：將高熵合金顆粒和鋁合金粉末裝進球磨罐中並密封，混粉5～25小時得到混合物料；

（2）包套制坯：將混合物料裝進包套，在室溫下施加壓力為5～15兆帕，把包套內的混合物料壓實成坯料；

（3）熱擠壓成型：將壓實後的坯料放到熱擠壓設備中，預熱坯料至400～480℃，預熱模具至200～400℃，坯料及模具保溫1～3小時預熱完成，然後在擠壓壓力為5～15兆帕，擠壓比為4～25的條件下熱擠壓成型，得到高熵合金增強的鋁基複合材料。

步驟（3）中所述的擠壓壓力為10～15兆帕，擠壓比為16～25。

步驟（3）中所述的擠壓壓力為5～9兆帕，擠壓比為4～9。

《一種高熵合金增強的鋁基複合材料及其製備方法》製備方法的原理為：金屬基複合材料都是在基體合金熔點附近的高溫下製備。在製備過程中，顆粒增強體與基體將發生不同程度的相互作用和界面反應，形成各種結構的界面。《一種高熵合金增強的鋁基複合材料及其製備方法》涉及的複合材料製備工藝溫度較低（低於固相線），從而避免了不利界面化學反應的發生和脆性相的形成，加之複合材料中高熵合金增強相與鋁合金基體可以形成原子半共格的物理結合型界面，在增強基體合金的同時，還可以獲得較好的塑性和韌性。

有益效果

（1）《一種高熵合金增強的鋁基複合材料及其製備方法》的複合材料界面特徵為：高熵合金粉末與鋁合金基體可以形成物理結合型界面，界面結合強度高，界面狀態好；

（2）《一種高熵合金增強的鋁基複合材料及其製備方法》的製備工藝可以獲得顆粒分布均勻、緻密，高強度、高硬度和高延伸率的複合材料；

（3）《一種高熵合金增強的鋁基複合材料及其製備方法》的製備工藝溫度低，且高熵合金粉體表面不需要進行化學處理和清洗，工藝簡單，成本低，穩定性好。

附圖說明

圖1為實施例1製備的10％高熵合金/7075Al的金相照片；

圖2為實施例2製備的20％高熵合金/7075Al的金相照片；

圖3為實施例1和實施例2製備的10％和20％高熵合金/7075Al的硬度值對比圖。

技術領域

《一種高熵合金增強的鋁基複合材料及其製備方法》屬於複合材料技術領域，具體涉及一種高熵合金增強的鋁基複合材料及其製備方法。

權利要求

1.一種高熵合金增強的鋁基複合材料，其特徵在於：所述複合材料以高熵合金為增強相，以鋁合金為基體；所述的高熵合金的體積分數為5％～35％，鋁合金的體積分數為65％～95％；所述的高熵合金是指AlCrFeNiCoTi系、AlCrFeNiCoCu系高熵合金或Al0.5Cr0.5FeNiCo高熵合金。

2.根據權利要求1所述的一種高熵合金增強的鋁基複合材料，其特徵在於：所述鋁合金是指2xxx系、5xxx系、6xxx系、7xxx系鋁合金或Al-Li合金。

3.權利要求1或2所述的一種高熵合金增強的鋁基複合材料的製備方法，其特徵在於包括以下步驟：（1）混粉：將高熵合金顆粒和鋁合金粉末裝進球磨罐中並密封，混粉5～25小時得到混合物料；（2）包套制坯：將混合物料裝進包套，在室溫下施加壓力為5～15兆帕，把包套內的混合物料壓實成坯料；（3）熱擠壓成型：將壓實後的坯料放到熱擠壓設備中，預熱坯料至400～480℃，預熱模具至200～400℃，坯料及模具保溫1～3小時預熱完成，然後在擠壓壓力為5～15兆帕，擠壓比為4～25的條件下熱擠壓成型，得到高熵合金增強的鋁基複合材料。

4.根據權利要求3所述的一種高熵合金增強的鋁基複合材料的製備方法，其特徵在於：步驟（3）中所述的擠壓壓力為10～15兆帕，擠壓比為16～25。

5.根據權利要求3所述的一種高熵合金增強的鋁基複合材料的製備方法，其特徵在於：步驟（3）中所述的擠壓壓力為5～9兆帕，擠壓比為4～9。

實施方式

• 實施例1

（1）混粉：增強相選用AlCrFeNiCoTi系高熵合金顆粒，成分為Al0.25CrFeNiCoTi0.75，平均粒徑為30微米，體積分數為10％。該例中高熵合金顆粒採用機械合金化工藝製備，採用行星式球磨機進行機械合金化，轉速≥250rpm，球磨時間為50小時，球料比為15:1。鋁合金基體選用7xxx系合金中的7075Al，其體積分數為90％；用電子天平稱量出相應重量的高熵合金顆粒和鋁合金粉末，將其裝進球磨罐中並密封，隨後用普通乾混方法混粉10小時；

（2）包套制坯：將混粉完成後的Al0.25CrFeNiCoTi0.75高熵合金顆粒和7075Al粉末裝進鋁合金包套，在室溫下用快速油壓機把包套內的粉末壓實成坯料，施加壓力為12兆帕，使包套內部填滿粉末並進行密封包裝；

（3）熱擠壓成型：將耐熱鋼擠壓嘴和裝有坯料的鋁合金包套放進電阻爐中預熱至470℃，模具預熱至350℃，保溫3小時，預熱完成後，把擠壓嘴放置於模具內部，接著把鋁合金包套放置於擠壓嘴上部，隨後合模加壓進行熱擠壓成型，擠壓參數為：擠壓壓力為12兆帕，擠壓比為16，熱擠壓完成後，截取棒料並整形，獲得高熵合金增強的鋁基複合材料。

該實施例的高熵合金增強的鋁基複合材料的金相照片如圖1所示，可以看出，10％顆粒增強鋁基複合材料中高熵合金顆粒分布均勻、緻密，沒有出現顆粒團聚現象。經過室溫單向拉伸試驗測試，該實施例的高熵合金增強的鋁基複合材料的極限抗拉強度值為345兆帕，延伸率為5.4％，硬度測試結果如圖3所示。

• 實施例2

（1）混粉：增強相選用AlCrFeNiCoTi系高熵合金顆粒，高熵合金的具體成分為Al0.25CrFeNiCoTi0.75，平均粒徑為30微米，體積分數為20％。該例中高熵合金顆粒採用機械合金化工藝製備，採用行星式球磨機進行機械合金化，轉速≥250rpm，球磨時間為50小時，球料比為15:1。鋁合金基體選用7xxx系合金中的7075Al，其體積分數為80％；用電子天平稱量出相應重量的高熵合金顆粒和鋁合金粉末，將其裝進球磨罐中並密封，隨後用普通乾混方法混粉15小時；

（2）包套制坯：將混粉完成後的Al0.25CrFeNiCoTi0.75高熵合金顆粒和7075Al粉末裝進鋁合金包套，在室溫下用快速油壓機把包套內的粉末壓實成坯料，施加壓力為14兆帕，使包套內部填滿粉末並進行密封包裝；

（3）熱擠壓成型：將耐熱鋼擠壓嘴和裝有坯料的鋁合金包套放進電阻爐中預熱至480℃，模具預熱至380℃，保溫3小時，預熱完成後，把擠壓嘴放置於模具內部，接著把鋁合金包套放置於擠壓嘴上部，隨後合模加壓進行熱擠壓成型，擠壓參數為：擠壓壓力為14兆帕，擠壓比為25，熱擠壓完成後，截取棒料並整形，獲得高熵合金增強的鋁基複合材料。

該實施例的高熵合金增強的鋁基複合材料的金相照片如圖2所示，可以看出，20％顆粒增強鋁基複合材料中高熵合金顆粒分布均勻、緻密，沒有出現顆粒團聚現象。經過室溫單向拉伸試驗測試，該實施例的高熵合金增強的鋁基複合材料的極限抗拉強度值為387兆帕，延伸率為3.6％，其硬度值如圖3所示。

• 實施例3

（1）混粉：增強相選用AlCrFeNiCoTi系高熵合金顆粒，高熵合金的具體成分為Al0.5CrFeNiCoTi0.5，平均粒徑為30微米，體積分數為25％。該例中高熵合金顆粒採用機械合金化工藝製備，採用行星式球磨機進行機械合金化，轉速≥250rpm，球磨時間為50小時，球料比為15:1。鋁合金基體選用6xxx系合金中的6061Al，其體積分數為75％；用電子天平稱量出相應重量的高熵合金顆粒和鋁合金粉末，將其裝進球磨罐中並密封，隨後用普通乾混方法混粉12小時；

（2）包套制坯：將混粉完成後的Al0.5CrFeNiCoTi0.5高熵合金顆粒和6061Al粉末裝進鋁合金包套，在室溫下用快速油壓機把包套內的粉末壓實成坯料，施加壓力為10兆帕，使包套內部填滿粉末並進行密封包裝；

（3）熱擠壓成型：將耐熱鋼擠壓嘴和裝有坯料的鋁合金包套放進電阻爐中預熱至450℃，模具預熱至300℃，保溫2小時，預熱完成後，把擠壓嘴放置於模具內部，接著把鋁合金包套放置於擠壓嘴上部，隨後合模加壓進行熱擠壓成型，擠壓參數為：擠壓壓力為9兆帕，擠壓比為9，熱擠壓完成後，截取棒料並整形，獲得高熵合金增強的鋁基複合材料。經過室溫單向拉伸試驗測試，該實施例的高熵合金增強的鋁基複合材料的極限抗拉強度值為415兆帕，延伸率為3.3％，其布氏硬度值為160HB。

• 實施例4

（1）混粉：增強相選用AlCrFeNiCoCu系高熵合金顆粒，高熵合金的具體成分為Al0.5CrFeNiCoCu0.5，平均粒徑為30微米，體積分數為5％。該例中高熵合金顆粒採用機械合金化工藝製備，採用行星式球磨機進行機械合金化，轉速≥250rpm，球磨時間為50小時，球料比為15:1。鋁合金基體選用2xxx系合金中的2024Al，其體積分數為95％；用電子天平稱量出相應重量的高熵合金顆粒和鋁合金粉末，將其裝進球磨罐中並密封，隨後用普通乾混方法混粉5小時；

（2）包套制坯：將混粉完成後的Al0.5CrFeNiCoCu0.5高熵合金顆粒和2024Al粉末裝進鋁合金包套，在室溫下用快速油壓機把包套內的粉末壓實成坯料，施加壓力為5兆帕，使包套內部填滿粉末並進行密封包裝；

（3）熱擠壓成型：將耐熱鋼擠壓嘴和裝有坯料的鋁合金包套放進電阻爐中預熱至400℃，模具預熱至200℃，保溫3小時。預熱完成後，把擠壓嘴放置於模具內部，接著把鋁合金包套放置於擠壓嘴上部，隨後合模加壓進行熱擠壓成型，擠壓參數為：擠壓壓力為13兆帕，擠壓比為4，熱擠壓完成後，截取棒料並整形，獲得高熵合金增強的鋁基複合材料。經過室溫單向拉伸試驗測試，該實施例的高熵合金增強的鋁基複合材料的極限抗拉強度值為311兆帕，延伸率為7.3％，其布氏硬度值為122HB。

• 實施例5

（1）混粉：增強相選用AlCrFeNiCoCu系高熵合金顆粒，高熵合金的具體成分為Al0.25CrFeNiCoCu0.75，平均粒徑為30微米，體積分數為15％。該例中高熵合金顆粒採用機械合金化工藝製備，採用行星式球磨機進行機械合金化，轉速≥250rpm，球磨時間為50小時，球料比為15:1。鋁合金基體選用Al-Li合金，其體積分數為95％；用電子天平稱量出相應重量的高熵合金顆粒和鋁合金粉末，將其裝進球磨罐中並密封，隨後用普通乾混方法混粉15小時；

（2）包套制坯：將混粉完成後的Al0.25CrFeNiCoCu0.75高熵合金顆粒和Al-Li合金粉末裝進鋁合金包套，在室溫下用快速油壓機把包套內的粉末壓實成坯料，施加壓力為15兆帕，使包套內部填滿粉末並進行密封包裝；

（3）熱擠壓成型：將耐熱鋼擠壓嘴和裝有坯料的鋁合金包套放進電阻爐中預熱至480℃，模具預熱至400℃，保溫3小時。預熱完成後，把擠壓嘴放置於模具內部，接著把鋁合金包套放置於擠壓嘴上部，隨後合模加壓進行熱擠壓成型，擠壓參數為：擠壓壓力為15兆帕，擠壓比為25，熱擠壓完成後，截取棒料並整形，獲得高熵合金增強的鋁基複合材料。經過室溫單向拉伸試驗測試，該實施例的高熵合金增強的鋁基複合材料的極限抗拉強度值為331兆帕，延伸率為5.8％，其布氏硬度值為139HB。

• 實施例6

（1）混粉：增強相選用AlCrFeNiCo系高熵合金顆粒，高熵合金的具體成分為Al0.5Cr0.5FeNiCo，平均粒徑為30微米，體積分數為35％。該例中高熵合金顆粒採用機械合金化工藝製備，採用行星式球磨機進行機械合金化，轉速≥250rpm，球磨時間為50小時，球料比為15:1。鋁合金基體選用5xxx系合金中的5A06Al，其體積分數為65％；用電子天平稱量出相應重量的高熵合金顆粒和鋁合金粉末，將其裝進球磨罐中並密封，隨後用普通乾混方法混粉10小時；

（2）包套制坯：將混粉完成後的Al0.5Cr0.5FeNiCo高熵合金顆粒和Al-Li合金粉末裝進鋁合金包套，在室溫下用快速油壓機把包套內的粉末壓實成坯料，施加壓力為8兆帕，使包套內部填滿粉末並進行密封包裝；

（3）熱擠壓成型：將耐熱鋼擠壓嘴和裝有坯料的鋁合金包套放進電阻爐中預熱至420℃，模具預熱至250℃，保溫1.5小時。預熱完成後，把擠壓嘴放置於模具內部，接著把鋁合金包套放置於擠壓嘴上部，隨後合模加壓進行熱擠壓成型，擠壓參數為：擠壓壓力為7兆帕，擠壓比為9，熱擠壓完成後，截取棒料並整形，獲得高熵合金增強的鋁基複合材料。經過室溫單向拉伸試驗測試，該實施例的高熵合金增強的鋁基複合材料的極限抗拉強度值為475兆帕，延伸率為2.7％，其布氏硬度值為178HB。

榮譽表彰

2018年12月20日，《一種高熵合金增強的鋁基複合材料及其製備方法》獲得第二十屆中國專利優秀獎。