[发明专利]一种内生纳米陶瓷增强高熵合金复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属基复合材料技术领域，具体涉及一种高熵合金复合材料及其制备方法。

背景技术

块体高熵合金(HEA)具有高强度、高硬度、低的弹性模量与大的弹性应变极限等一系列不同于传统晶态合金的优异力学性能，使得其被认为是极具潜力的结构材料。然而，高脆性使得HEA材料在没有明显室温宏观塑性变形的情况下，以突然失效的方式发生灾难性断裂；高脆性、高硬度对材料的加工带来了极大困难。这些都严重地制约着HEA作为先进结构材料在工程中的大规模应用。因此，室温脆性、加工困难问题已经发展成为HEA材料应用的重要瓶颈。

为改善HEA材料的室温脆性及加工困难的问题，研究者们通过添加不同的金属元素，采用电弧熔铸制备出枝晶偏析的块体材料，这其中以添加Cu效果明显，其压缩塑性应变达到8%以内。随后，张勇等人通过定向凝固技术制备出具有柱状晶组织的高熵合金材料，其压缩韧性有所提高；王艳苹等采用电弧熔铸制备了内生10vol.%TiC 颗粒增强的CrFeCoNiCuAl 高熵合金基复合材料（HEAMCs），TiC 成颗粒状均匀分布在基体上，尺寸约为几个微米。CrFeCoNiCuTi-TiC 复合材料的压缩强度和硬度可分别达到2040MPa 和746HV，压缩塑性约12%。但上述高熵合金材料的塑性的获得，不是大幅度降低了强度就是在提高塑性方面并不明显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高熵合金复合材料及制备方法，在保持其优异强度和硬度的同时，提高复合材料的塑性。

本发明的高熵合金复合材料，以高熵合金颗粒作为基体相，同时，在高能球磨过程中，机械合金化能量促进原位反应生成纳米陶瓷TiC：Ti+CTiC，使内生纳米陶瓷相偏聚在固溶体晶界处，产生陶瓷相增强，同时对韧性的面心立方固溶体造成挤压，形成形变孪晶，从而实现高熵合金复合材料的强塑结合，制备出高强高韧的高熵合金复合材料。

所述内生纳米陶瓷增强高熵合金复合材料，其复合材料的合金成分原子比表达式为：Al_xFeCrCo_yNi(Cu)_mTi_z /(1-15) vol%TiC，其中0≤x≤0.7，0≤z≤0.7且x+z =0.7，1≤y≤1.5，m为0或1。

所述内生纳米陶瓷增强高熵合金复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

①原料选择：所述Al、Fe、Cr、Co、Ni、Cu、Ti金属粉末纯度>99.9%，粒度≤45μm；所述碳粉的纯度>99.9%，粒度≤100μm。按照Al_xFeCrCo_yNi(Cu)_mTi_z /(1-15) vol%TiC名义成分进行称量，将称量好的金属粉体及碳粉按顺序置于不锈钢或陶瓷球磨罐中，抽真空后充入高纯惰性气体，以备球磨。

②复合粉体制备：将步骤一中准备好的粉体在高能球磨机中进行机械合金化，干磨转速400~500r/min，干磨时间为40~50h，湿磨时间2~5h，湿磨转速为100~300r/min；湿磨后，打开真空罐，真空干燥24~36h后，经50~100r/min球磨1~2h，制备得到高熵合金复合粉末。

③复合材料致密化：

将上述高熵合金复合粉末置于石墨模具中，采用放电等离子烧结炉进行烧结，烧结温度为1000℃，烧结时间为10min，烧结时加压30Mpa，真空度<8Pa；升温速率为：600℃/4min；600-900℃和900-1000℃的升温速率分别为75℃/min和50℃/min；最后降至室温，得到所述高熵合金复合材料。

采用XRD、TEM、力学性能试验机等对所述高熵合金复合材料进行测试。

本发明的内生纳米陶瓷增强高熵合金复合材料，通过成分设计和制备工艺使合金基体以高塑性面心立方固溶体（FCC）为主的高熵合金基体，同时内生纳米陶瓷颗粒偏聚于简单固溶体晶界上，产生陶瓷增强相强化；在加热、加压固化过程中，陶瓷相对FCC相产生挤压变形效应，形成形变孪晶，从而实现高熵合金复合材料的强塑结合，制备出高强高韧的高熵合金复合材料或按照模具内腔形状成型的零件。

附图说明

图1为实施例1制备的复合材料的TEM分析图；

图2为本发明复合材料的应力-应变曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。