[发明专利]一种高熵合金增强的铝基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种高熵合金增强的铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

颗粒增强铝基复合材料具有高比强度、高比模量、耐磨性及尺寸稳定好等优异的性能。作为一种新型的结构与功能材料，在航空航天、军工、电子、仪表仪器等领域具有广泛的应用前景。然而，由于颗粒增强铝基复合材料塑性和韧性较差，这限制了其在结构材料方面的应用。如何提高其塑性和韧性，一直是研究者追求的目标。

一直以来，关于颗粒增强铝基复合材料设计与制备工艺方面的研究较为深入，主要涉及增强相选择、增强相与基体合金界面设计及相应的制备工艺设计等方面。采用高强高硬的陶瓷颗粒增强铝合金是最常见的做法，如SiC颗粒、Al₂O₃颗粒和SiO₂颗粒等，且获得了产业化。虽然陶瓷增强相可以极大提高铝合金基体的强度，但是会导致其韧性和塑性急剧降低。为了获得良好的综合性能(高强度、高塑性)，通常会限制陶瓷增强相的含量(陶瓷增强相的含量不会超过25％)。这又会带来另一方面的问题，即颗粒分布不均匀，容易形成团聚和裂纹源。在制备工艺方面，压铸工艺和压力浸渗工艺是复合材料成型过程中使用最广泛的。上述工艺中铝液温度较高，陶瓷增强相与铝合金基体界面反应严重，加之陶瓷增强相与铝合金的界面润湿性差，导致其界面结合强度低。为了提高二者之间的界面结合强度，一般需要对陶瓷增强相和金属基体进行改性处理，这进一步增加了制备过程的复杂性与成本。因此，合适的增强相材料与制备工艺成为决定颗粒增强型铝基复合材料强度和塑性的关键。

传统的合金体系均以一种或两种元素为主要组元，合金的晶体结构、性能等均受制于主要元素。上世纪90年代中期，中国台湾学者叶均蔚教授率先打破传统合金的设计理念，采用多种主要元素设计合金，即多主元高熵合金。由于其独特的显微结构特征，使得高熵合金具有高硬度、高强度、耐磨、耐腐蚀、高温热稳定以及特殊的磁、电性能等众多优异性能。源于金属-金属间天然的界面结合特性，高熵合金与铝合金基体间的界面润湿性与界面相容性好。若能采用高熵合金作为增强相来增强增韧铝合金，将突破传统陶瓷增强相增强与增韧的瓶颈，实现材料强度和塑性的同时提升。然而，迄今为止尚无采用高熵合金粉体增强相制备高强韧铝基复合材料的文献报道。

发明内容

为了解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种高熵合金增强的铝基复合材料。

本发明的另一目的在于提供上述铝基复合材料的制备方法。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种高熵合金增强的铝基复合材料，所述复合材料以高熵合金为增强相，以铝合金为基体。

所述的高熵合金的体积分数为5％～35％，铝合金的体积分数为65％～95％。

所述的高熵合金优选AlCrFeNiCoTi系、AlCrFeNiCoCu系或AlCrFeNiCo系高熵合金。

所述铝合金优选2xxx系、5xxx系、6xxx系、7xxx系铝合金或Al-Li合金。

上述高熵合金增强的铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)混粉：将高熵合金颗粒和铝合金粉末装进球磨罐中并密封，混粉5～25h得到混合物料；

(2)包套制坯：将混合物料装进包套，在室温下施加压力为5～15MPa，把包套内的混合物料压实成坯料；

(3)热挤压成型：将压实后的坯料放到热挤压设备中，预热坯料至400～480℃，预热模具至200～400℃，坯料及模具保温1～3h预热完成，然后在挤压压力为5～15MPa，挤压比为4～25的条件下热挤压成型，得到高熵合金增强的铝基复合材料。

步骤(3)中所述的挤压压力为10～15MPa，挤压比为16～25。

步骤(3)中所述的挤压压力为5～9MPa，挤压比为4～9。

本发明制备方法的原理为：金属基复合材料都是在基体合金熔点附近的高温下制备。在制备过程中，颗粒增强体与基体将发生不同程度的相互作用和界面反应，形成各种结构的界面。本发明涉及的复合材料制备工艺温度较低(低于固相线)，从而避免了不利界面化学反应的发生和脆性相的形成，加之复合材料中高熵合金增强相与铝合金基体可以形成原子半共格的物理结合型界面，在增强基体合金的同时，还可以获得较好的塑性和韧性。

本发明的材料及制备方法具有如下优点及有益效果：