非晶和高熵合金颗粒增强铝基复合材料的制备及性能研究

发布时间：2020-04-24 11:47

【摘要】：随着新型工业化进程的不断加快,现代科技水平的进一步提高,开发新型轻质高强的复合材料成为该领域的目标和追求。Al基复合材料具有密度低、弹性模量高、强度高、抗疲劳和耐磨性好、耐蚀性优异和成本低等优势,成为金属基复合材料应用领域的明星,并作为先进的工程材料被广泛应用于航空航天、国防和汽车领域。本课题利用机械合金化(MA)和放电等离子烧结(SPS)技术成功制备了非晶合金和高熵合金颗粒增强的新型Al基复合材料,研究了块体复合材料的物相组成、增强体分布状态、增强体和基体的界面结合,分析了Al基复合材料的相对密度、硬度、室温压缩力学性能和海水耐蚀性,并探讨了相应的强化机理。本课题得到的结论如下:1.利用MA制备了Al_(85)Fe_(15)非晶合金粉末,其初始晶化温度高达1209 K,通过SPS制备了性能较好的Al_(85)Fe_(15)非晶合金增强的6061Al基复合材料。Al_(85)Fe_(15)非晶增强相以片状均匀分布在基体上。块体复合材料的相对密度均高于98%,其显微硬度值均大于200 HV,优于6061Al基体(61 HV)。含有30 vol.%Al_(85)Fe_(15)增强体的复合材料具有高的屈服强度(478 MPa),相比基体提升了273%。复合材料硬度、强度的提升主要是由于增强体保持非晶特性和在基体中均匀的分布状态。此外,该材料具有较优的海水耐蚀性。2.通过SPS制备了Al_(85)Fe_(15)非晶合金/0.3wt.%石墨烯增强的Al基复合材料。烧结块体中,Al_(85)Fe_(15)增强体仍保持非晶特性。添加量为10 vol.%和30 vol.%时,增强体分别以粒状均匀分布和以连续网络状分布。30 vol.%Al_(85)Fe_(15)非晶合金/0.3wt.%石墨烯增强的Al基复合材料具有较高的显微硬度(83 HV)和屈服强度(262MPa)。根据动电位极化曲线,在海水溶液中仅0.3 wt.%石墨烯增强复合材料具有宽的钝化区(0.44 V),表明该复合材料具有相对较好的耐点蚀性。3.利用MA和SPS技术制备了性能较优的CuZrAl增强Al基复合材料。该系列复合材料不但具有高的显微硬度和压缩断裂强度,同时还保留一定的塑性。在烧结过程中,CuZrAl非晶相发生晶化,烧结产物除了含有fcc-Al相,还生成了Al_3Zr和CuAl_2相。Al原子和Cu原子都具有在基体和增强体界面的扩散行为,对良好界面的形成具有促进作用。含有20 vol.%增强体的复合材料显微硬度为290 HV、屈服强度为408 MPa、断裂强度为459 MPa,不仅优于纯Al块体,还高于同系列其他复合材料。第二相颗粒强化、连续分布的增强体、较高的相对密度、良好的界面结合和细晶强化都有助于该复合材料强度和硬度的提升。此外,复合材料在海水溶液中具有较宽的钝化区,耐点蚀性能有所提升,这和Zr元素易于形成ZrO_2或Zr(OH)_4钝化膜有关。4.利用MA制备了具有体心立方(bcc)结构的CuZrAlTiNiW高熵合金增强体,利用SPS制备了该高熵合金增强的Al基复合材料。烧结产物中除了fcc-Al和少量bcc相,还生成了大量的WAl_(12)相以及少量的Al_5Ti_3和Al_5Zr_3相。含有30 vol.%增强体的复合材料具有高的硬度值,高达661 HV,大约是纯Al(32 HV)硬度值的20倍。含有20 vol.%增强体的复合材料具有高的断裂强度(544 MPa)。增强体在基体上以核壳结构的形式存在,推测在烧结过程中bcc固溶体作为核,在核外围析出的金属间化合物作为壳(过渡层),导致和基体界面结合较好,有助于复合材料综合力学性能的提升。此外,该复合材料在海水溶液中具有较宽的钝化区,耐点蚀性能好。5.尝试通过熔体旋淬工艺制备了含有bcc固溶体和少量未知相的CuZrAlTiNiW_(0.2)高熵合金条带,通过球磨制备平均粒径约为4μm的粉料作为增强体,利用SPS制备了相对密度高于97%的Al基复合材料(10 vol.%增强体)。块体复合材料中含有fcc-Al相、Ni_4Ti_3相、AlCu_4相,bcc相消失。增强体以核壳结构形式存在,壳层区域富含Al。通过熔体旋淬工艺制备增强体的复合材料具有较高的断裂强度(501 MPa)、较宽的钝化区(0.55 V),耐点蚀性有所改善。6.根据本课题研究内容,各增强体添加的Al基复合材料都具有较高的相对密度,较优异的显微硬度、压缩断裂强度和耐点蚀性。在力学性能方面,30 vol.%CuZrAlTiNiW增强Al基复合材料具有最高的硬度值(661 HV),而20 vol.%CuZrAlTiNiW增强Al基复合材料具有最大的断裂强度(544 MPa),但是CuZrAlTiNiW增强的Al基复合材料没有明显的塑性;20 vol.%CuZrAl增强的Al基复合材料断裂强度为459 MPa,硬度为290 HV,延伸率为18%。综合来看,CuZrAl非晶合金增强的Al基复合材料在强度显著提升的同时还保留一定的塑性,具有较优的综合力学性能。在海水耐蚀性方面,20 vol.%Al_(85)Fe_(15)非晶合金增强的6061Al基复合材料具有最宽的钝化平台(1.24 V),耐点蚀性好。
【图文】：

示意图,合金固溶体,晶格,示意图

近十年的研究表明，该思路取得了合材料增强体的选择范围。德国学者 D. MaSi2.8为增强体，2024 铝合金为基体的 Al 基复l 基复合材料其拉伸屈服强度能够达到 229 M有 4.7%的应变。强体概述是由叶钧蔚等学者提出来的[44]，合金中含有称为高熵合金。高熵合金具有四大效应：高熵、鸡尾酒效应。倾向于形成面心立方结构(fc构(hcp)的固溶体[45-47]，其固溶体相晶格的示

示意图,石墨,结构示意图

以 2024 铝合金为基体的 Al 基复合材料[52]。试验结果表明：该复合材料的硬度高于传统的金属基复合材料；增强体的加入提升了材料的屈服强度、拉伸强度和杨氏模量。随着高熵合金的发展，以高熵合金为增强体的新型金属基复合材料也将得到进一步发展，，复合材料的综合性能也将进一步提升。1.3.4 石墨烯增强体概述石墨烯以其独特的结构、优异的性能成为近年来材料界研究的热点。石墨烯是一种柔性轻质的材料，具有超高的强度、优异的热导率和电导率、良好的透光率[53, 54]。其优异的性能主要是因为每个碳原子和其他 3 个碳原子通过 π 键连接，形成 SP2杂化轨道以及二维薄层结构[55, 56]，结构示意图如图 1.2 所示。目前，关于石墨烯的研究和应用主要偏向于功能材料领域。比如，韩国三星公司根据石墨烯的电子能带结构(示意图如图 1.3)，制造出了透明的可以弯曲的显示屏。
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】