一種高性能金屬基復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及粉末冶金領(lǐng)域的復(fù)合材料制備技術(shù)，尤其涉及一種制備高性能金屬基復(fù)合材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬基復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍事及汽車行業(yè)等領(lǐng)域。但是，在某些領(lǐng)域，無論工藝還是在性能都很難滿足人們的要求。因而，開發(fā)出新型高性能的金屬材料是急需解決的問題。
[0003]在現(xiàn)有技術(shù)中，陶瓷相和非晶相可以作為傳統(tǒng)強(qiáng)化相來提高金屬材料的強(qiáng)度，但具有以下缺點:1.陶瓷強(qiáng)化相是一種非金屬材料，強(qiáng)化相與基體之間的界面潤濕性低、燒結(jié)性能較差，孔隙度大等，導(dǎo)致復(fù)合材料制備工藝復(fù)雜；2.非晶強(qiáng)化相與基體的界面較傳統(tǒng)晶態(tài)復(fù)合材料更難控制，非晶是一種非穩(wěn)定態(tài)，在高溫條件下，非晶還容易發(fā)生晶化，破壞復(fù)合材料的界面穩(wěn)定性，因而非晶只適用于低熔點的鋁、鎂基復(fù)合材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)中的金屬基復(fù)合材料所存在的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種高性能金屬基復(fù)合材料的制備方法。
[0005]依據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種高性能金屬基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0006]取粒狀的原材料Al、Fe、Cr、Co和Ni金屬粉，重量配比為:A1為4.809g，F(xiàn)e為9.955g，Cr 為 9.269g，Co 為 10.500g，以及 Ni 為 10.460g ；
[0007]通過球磨機(jī)在氬氣氛保護(hù)下，采用轉(zhuǎn)數(shù)為300轉(zhuǎn)/分、球料比為15:1或10:1、球磨60小時的工藝，制備AlFeCrCoNi高熵合金粉體；
[0008]稱取重量為32g、粒度200目的純銅粉體，以及重量為8g的所述高熵合金粉體；
[0009]將所述高熵合金粉體與所述純銅粉體在氬氣氛保護(hù)下、轉(zhuǎn)數(shù)為250轉(zhuǎn)/分進(jìn)行球磨4小時混合，得到復(fù)合材料粉末；
[0010]將所述復(fù)合材料粉末放入冷壓磨具內(nèi)，勻速加壓至1.5105牛頓，保壓6分鐘后取出冷壓坯體；
[0011]將冷壓后的所述復(fù)合材料放入氣氛保護(hù)燒結(jié)爐的石墨磨具中，對其充氮氣40分鐘后，將所述氣氛保護(hù)燒結(jié)爐升溫至800°C，等爐溫穩(wěn)定后，開始進(jìn)行熱壓，熱壓的壓力為20MPa，保壓時間為I小時，整個過程通入循環(huán)的氮氣；以及
[0012]保溫I小時后，所述復(fù)合材料隨爐冷卻至室溫，然后取出得到銅基復(fù)合材料。
[0013]在其中的一實施例，上述原材料Al、Fe、Cr、Co和Ni分別是純度為99.5%、粒度為200目的金屬粉。
[0014]在其中的一實施例，上述制備AlFeCrCoNi高熵合金粉體的步驟還包括:添加正庚烷過程控制劑，以防止冷焊產(chǎn)生的顆粒團(tuán)聚。
[0015]在其中的一實施例，所述銅基復(fù)合材料的強(qiáng)度隨著所述AlFeCrCoNi高熵合金的含量升高而增大。
[0016]依據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種高性能金屬基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0017]取塊狀的原材料Al、Fe、Cr、Co和Ni，重量配比為:A1為3.206g，F(xiàn)e為6.636g，Cr為 6.180g，Co 為 7.0OOg,以及 Ni 為 6.970g ；
[0018]將上述原材料Al、Fe、Cr、Co和Ni放入電弧熔煉爐的銅模坩禍內(nèi)，抽真空至51O^3MPa,充氬氣至-0.05MPa ；
[0019]進(jìn)行真空熔煉，熔煉電流為250A，電磁攪拌電流為10A，熔煉時間為I分鐘，反復(fù)翻轉(zhuǎn)熔煉6次后，冷卻至室溫，取出AlFeCrCoNi高熵合金；
[0020]將所述AlFeCrCoNi高熵合金線切割成I毫米厚的薄片，丙酮超聲波清洗后，將所述薄片砸碎成顆粒；
[0021]采用球磨機(jī)對所述AlFeCrCoNi高摘合金顆粒進(jìn)一步球磨粉碎，球磨參數(shù)為轉(zhuǎn)數(shù)400轉(zhuǎn)/分、球料比40:1、球磨20小時。
[0022]稱取重量為32g、粒度200目的純銅粉體，以及重量為Sg的所述高熵合金粉體；
[0023]將所述高熵合金粉體與所述純銅粉體在氬氣氛保護(hù)下、轉(zhuǎn)數(shù)為250轉(zhuǎn)/分進(jìn)行球磨4小時混合，得到復(fù)合材料粉末；
[0024]將所述復(fù)合材料粉末放入冷壓磨具內(nèi)，勻速加壓至1.5105牛頓，保壓6分鐘后取出冷壓坯體；
[0025]將冷壓后的所述復(fù)合材料放入氣氛保護(hù)燒結(jié)爐的石墨磨具中，對其充氮氣40分鐘后，將所述氣氛保護(hù)燒結(jié)爐升溫至800°C，等爐溫穩(wěn)定后，開始進(jìn)行熱壓，熱壓的壓力為20MPa，保壓時間為I小時，整個過程通入循環(huán)的氮氣；以及
[0026]保溫I小時后，所述復(fù)合材料隨爐冷卻至室溫，然后取出得到銅基復(fù)合材料。
[0027]在其中的一實施例，上述原材料Al、Fe、Cr、Co和Ni分別是純度為99.9%。
[0028]在其中的一實施例，上述采用球磨機(jī)對所述AlFeCrCoNi高商合金顆粒進(jìn)一步球磨粉碎的步驟還包括:添加酒精為過程控制劑。
[0029]在其中的一實施例，所述銅基復(fù)合材料的強(qiáng)度隨著所述AlFeCrCoNi高熵合金的含量升高而增大。
[0030]采用本發(fā)明的用于高性能金屬基復(fù)合材料的制備方法，將高強(qiáng)度、高硬度、熱穩(wěn)定性好的高熵合金作為金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)化相，并且高熵合金的組成成分為Al、Fe、Cr、Co、Ni五種元素等原子比。相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的制備方法至少具有以下優(yōu)點:1)高熵合金與金屬基體的互溶擴(kuò)散性好，制備工藝簡單；2)高熵合金熱穩(wěn)定性好，應(yīng)用范圍寬；3)制備的復(fù)合材料致密度高，界面良好，力學(xué)性能優(yōu)異。因此，該制備方法得到的金屬基復(fù)合材料既能滿足傳統(tǒng)顆粒強(qiáng)化相的工藝要求，又能克服傳統(tǒng)顆粒強(qiáng)化相的缺點。
【附圖說明】
[0031]讀者在參照附圖閱讀了本發(fā)明的【具體實施方式】以后，將會更清楚地了解本發(fā)明的各個方面。其中，
[0032]圖1為電弧熔煉制備的AlFeCrCoNi高熵合金的金相組織。
[0033]圖2為機(jī)械合金化制備的AlFeCrCoNi高熵合金粉體。
[0034]圖3為電弧熔煉再機(jī)械粉碎的AlFeCrCoNi高熵合金金粉體。
[0035]圖4為所制備AlFeCrCoNi高熵合金粉體的XRD圖譜。
[0036]圖5為粉末冶金制備的AlFeCrCoNi高熵合金增強(qiáng)銅基復(fù)合材料金相組織，其中高摘合金含量為重量比10%。
[0037]圖6為粉末冶金制備的AlFeCrCoNi高熵合金增強(qiáng)銅基復(fù)合材料金相組織，其中高熵合金含量為重量比20%。
[0038]圖7為純銅、10%高熵合金和20%高熵合金增強(qiáng)銅基復(fù)合材料壓縮曲線。
【具體實施方式】
[0039]為了使本申請所揭示的技術(shù)內(nèi)容更加詳盡與完備，可參照附圖以及本發(fā)明的下述各種具體實施例，附圖中相同的標(biāo)記代表相同或相似的組件。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下文中所提供的實施例并非用來限制本發(fā)明所涵蓋的范圍。此外，附圖僅僅用于示意性地加以說明，并未依照其原尺寸進(jìn)行繪制。
[0040]下面參照附圖，對本發(fā)明各個方面的【具體實施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0041]本發(fā)明的AlFeCrCoNi高熵合金粉體可以采用兩種方法制備，其一是將等原子比的粉體Al、Fe、Cr、Co、Ni等混合，并在真空或在氬氣氛保護(hù)下，用真空不銹鋼合金罐和不銹鋼合金球進(jìn)行機(jī)械合金化，機(jī)械合金化的工藝為轉(zhuǎn)數(shù)250r/min、球磨60小時、球料比為15:1或10:1。其二是采用真空電弧熔煉制備塊體AlFeCrCoNi高熵合金，然后在球磨機(jī)上進(jìn)行機(jī)械粉碎，機(jī)械粉碎的工藝與機(jī)械合金化制備高熵合金一樣，只不過是球磨時間縮短為20小時。然后，在獲得高熵合金粉體的基礎(chǔ)上，將高熵合金粉體與基體材料(諸如金屬銅)粉體混合，混合工藝除了時間為4小時外，其余與前面提及的機(jī)械合金化方法一致?；旌虾螅偻ㄟ^粉末冶金法制備高熵合金強(qiáng)化相復(fù)合材料，具體制備工藝為冷壓成Φ20的毛坯，在氮氣氛保護(hù)內(nèi)保持壓力30MPa，熱壓燒結(jié)I小時后爐冷，燒結(jié)溫度主要由基體材料決定，如銅基復(fù)合材料燒結(jié)溫度為800 °C。
[0042]實施例1:
[0043]取粒狀的原材料Al、Fe、Cr、Co和Ni金屬粉，重量配比為:A1為4.809g，F(xiàn)e為9.955g，CrS 9.269g，CoS 10.500g，以及 Ni 為 10.460g。例如，上述原材料 Al、Fe、Cr、Co和Ni分別是純度為99.5%、粒度為200目的金屬粉；
[0044]通過球磨機(jī)在氬氣氛保護(hù)下，采用轉(zhuǎn)數(shù)為300轉(zhuǎn)/分、球料比為15:1或10:1、球磨60小時的工藝，制備AlFeCrCoNi高熵合金粉體。此外，還可添加正庚烷過程控制劑，以防止冷焊產(chǎn)生的顆粒團(tuán)聚；
[0045]稱取重量為32g、粒度200目的純銅粉體，以及重量為8g的所述高熵合金粉體；
[0046]將所述高熵合金粉體與所述純銅粉體在氬氣氛保護(hù)下、轉(zhuǎn)數(shù)為250轉(zhuǎn)/分進(jìn)行球磨4小時混合，得到復(fù)合材料粉末；
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