1、第 卷 年月第期第 页材料工程 高熵合金颗粒增强 铝基复合材料的制备与性能 贺毅强，苏前航，郇昌宝，冯文，尚峰，左立杰，丁云飞，王衍，张一凡，穆昱学（江苏海洋大学 机械工程学院，江苏 连云港 ），（，）摘要：采 用 机 械 合 金 化 工 艺 制 备 高 熵 合 金 粉 末，通 过 先 冷 等 静 压、后 等 径 角 挤 压 的 方 法 制 备（）复合材料。研究 高熵合金粉末各单质金属间的合金化行为及球磨时间对合金粉 末 形 貌 的 影 响，分 析 不 同 体 积 分 数 对（）复 合 材 料 的 组 织 和 性 能。结 果 表 明：金属粉末合金化时间随单质金属的熔点提高而增加，且金属熔点越高
2、，其合金化越先进行，当球磨时间达到 时，金 属 粉 末 完 全 合 金 化，形 成 的 双 相 固 溶 体 结 构。基 体 与 高熵合金增强体之间形成元素相互浸渗的过渡层。随着增强体体积分数的提高，增强体聚集行为加剧，抗拉强度提高，塑性降低。当体积分数为 时，复合材料获得良好的综合性能，与 基体相比，抗拉强度提高 ，伸长率降低。处理后其抗拉强度和伸长率分别为 和 。关键词：高熵合金；铝基复合材料；显微结构；力学性能 ：中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（）（），：；材料工程 年月颗粒增强金属基复 合 材 料（，）由于各向同性较好，且可通过改变增强体含量、形貌、分布等实现性能的提升，因此
3、具有极高的研究意义与价值，成为国内外研究热点之一。目前，国内外在陶瓷颗粒增强铝基复合材料中研究较多，但陶瓷增强体与铝基体之间存在界面润湿性差以及热膨胀系数失配等问题，造成复合材料塑韧性较低，对其综合力学性能产生消极作用。为改善传统陶瓷颗粒增强铝基复合材料的塑韧性锐减现象，等提出了金属金属基复合材料体系，由于金属与金属之间能有效扩散，可避免传统陶瓷增强体与铝基体之间结合差的缺陷。国内外研究者采用金属玻璃作为增强体展开研究，但在金属体系中能形成的金属玻璃有限，且容易晶化。因此需要选择一种强硬度高、模量高、与金属基体具有相近的热膨胀系数、能生成过渡层且制备过程中无相变的增强体。年，叶 均 蔚 教 授
4、 提 出 了 高 熵 合 金（，）的概念，它是由 种主元组成，各主元原子分数均在。高熵合金强度高、硬度高、耐磨性优良，且与基体金属间界面润湿良好，因此采用高熵合金作为增强体是一个很好的选择。等采用搅拌摩擦工艺（，）制备了（）复合材料，发现复合材料的平均晶粒尺寸从铝基体的 减小到，硬度、屈服强度和抗拉强度分别比基体提高了，和，并且伸长率没有明显下降。等采用放电等离子体烧结（，）方法制备了（）复合材料，研究了扩散层的组成和微观力学性能，发现扩散层中独特的元素分布和明显的蠕变现象与烧 结 模 式 有 关。等采 用 方 法 制 备 了（）复合材料，时进行 后，在（）复合材料中原位形成核壳结构。在高熵合
5、金体积分数小于 时，核壳结构的原位形成显著提高了复合材料的屈服强度和塑性。但是，有关高熵合金颗粒增强铝基复合材料的界面研究报道不多，深入研究其界面结合和强韧化机制对其应用与发展具有重要的价值。本工作采用机械合金化制备 高熵合金粉末，分析球磨中各金属合金化过程，观察球磨时间对 高熵合金粉末形貌的影响。选取不同体积分数的高熵合金粉末作为增强体强韧化 铝合金，研究增强体体积分数对 铝合金组织及性能的影响，进一步分析 高熵合金与 铝合金基体的界面行为。实验材料与方法 实验材料实验中的增强体为 高熵合金颗粒，通过机械合金化工艺自行制备，原料，六种纯金属粉末，纯度为 ，粉末粒度为 目。实验所用基体为 铝合
6、金粉末，粒径为 目，其化学成分如表所示。以上金属原料均由北京兴荣源科技有限公司提供。表 铝合金化学成分（质量分数）（）实验方法 高熵合金颗粒制备称取定量粉末置入形干粉混合机内混合 使其分布均匀，然后通过行星式球磨机（）机械合金化制备。球磨参数：球磨转速设定为 ，球料比为，采用不锈钢球分三种规格，其直径分别是，质量比为。根据粉末质量添加质量分数的过程控制剂正庚烷以降低冷焊；为防止长时间球磨导致设备温度过高，每运行 停机。为防止氧化，在惰性气体手套箱内称取粉末，且机械合金化过程中球磨罐通入高纯氩气进行保护。（）复合材料制备对机械合金化制备的高熵合金粉末进行干燥，通过密 度、体 积 比 计 算 不
7、同 体 积 分 数 复 合 粉 末 所 需 高 熵 合 金 以 及 合 金 质 量，配制 体 积 分 数 为，（）混合粉末并称重取粉，称取的粉末置于 形干粉混合机内混合，使高熵合金和 充分混合均匀。首先在惰性气体手套箱中使用装料漏斗将复合粉末装入冷等静压模具中，并使用振动平台对其进行振实，振动频率为 ，振动时间为；然后采用型第 卷第期 高熵合金颗粒增强 铝基复合材料的制备与性能号为 的冷等静压机将复合粉末压制成形，压力 ，保压时间 ，升压速率 ，降压速率 ；最后使用型号为 立式四柱液压机和自制等径角挤压模具进行复合材料的热挤压制备，等径角挤压模具采用电热管加热至 进行保温，当坯料保温结束后进行
8、热挤压，挤压结束后复合材料冷却至室温取出。将挤压后强塑性综合性能较好的复合材料进行 热处理，固溶温度为 ，保温时间为，时效温度为 ，保温时间为。测试与表征采用 型 射线衍射仪（）对 粉末和复合材料分别进行物相 测 试，测试 角 度 为 ，扫描速率为（）。采用扫描电子显微镜（）和透射电子显微镜（）对复合材料进行显微组织分析，利用 对复合材料进行元素分布分析。采用 型电子万能试验机进行拉伸测试，拉伸速率为 ，最后利用 进行断口形貌观察。结果与分析 高熵合金粉末分析图为 不 同 球 磨 时 间 的 粉 末 物相检测图谱。从球磨 的 粉末图谱能够明显发现，衍射峰。球磨 后，单质金属元素衍射峰强度明显降
9、低，其中 元素对应的衍射峰基本消失，表明合金体系最先从 开始合金化。球磨 时，元素对应的衍射峰逐渐消失，说明 随着球磨过程的进行已完成合金化，但，元素对应的衍射峰仍然存在。这是因为高熵合金体系的机械合金化过程与各主元的熔点有关，一般来说低熔点金属最先完成合金化，高熔点会提高合金化难度。本工作制备的高熵合金中 熔点最低，熔点最高，合金化顺序应为 ，与 图谱显示的结果较为一致。当继续延长机械合金化时间时，单质粉末衍射峰逐渐消失，宽度显著增大，强度随之降低。这是由于随着机械合金化，粉末在磨球的挤压下不断地冷焊、硬化、破碎，发生大塑性变形，晶格畸变加剧，促使了原子间的固溶。结合上述分析，球磨时间达到
10、时，单质元素对应的衍射峰消失，同时出现 和 固溶体对应的衍射峰，表明此时 高熵合金已完成合金化，且形成了 与 共存的双相固溶体结构。当球磨时间达到 时，合金衍射峰强度下降，宽度增加，未见其他明显变化。这是因为延长球磨时间未改变合金体系的相组成，但大幅度减小了晶粒尺寸，导致衍射峰宽化。图不同球磨时间下高熵合金 图谱 此外，由图还可以发现，大衍射角度所对应的衍射峰强度较低，这是由于，元素原子尺寸较大，使高熵合金体系产生较大的晶格畸变，且球磨易使合金产生位错等缺陷，因此当衍射角度较大时，漫散效应明显，衍射峰强度降低。图为不同球磨时间 粉末的微观形貌和粒径分布，随着机械合金化的进行，粉末球形度不断提高
11、。图（）为球磨 时的粉末形貌，结合 可知球磨 时金属粉末未产生合金化，其中单质粉末形状不规则，原因是短时间球磨使部分粉末扁平化，粉末平均粒径约为。当球磨时间延长到，结合图中 分析可知，此时金属开始合金化，形成粒径约 的扁平状合金颗粒，说明球磨初始阶段粉末硬度小、塑性好，在磨球碰撞、砸击下产生较大塑性变形，颗粒间冷焊使得粒径增大。在 球磨过程中，金属粉末被破碎，其粒径急剧减小，而后在 球磨过程中，金属粉末发生冷焊，其粒径逐渐增大。球磨 时，结合 可知金属粉末已完全合金化，生成了 双相高熵合金，但合金粉末团聚严重，粒径达到 ，不能满足作为复合材料增强体的要求。球磨 时，高熵合金粉末粒度明显降低，粒
12、径为 左右，且继续延长球磨时间至 时粉末形貌与粒径未有显著变化。王桂芳等 研究球磨时间对 颗粒形貌影响时也发现了类似现象，合金粉末在机械合金化过程中出现了变形冷焊破碎冷焊破碎的趋势，且粉末活性显著上升，有利于粉体固相扩散。对高熵合金合金化程度和形貌的综合考虑，选用球磨 后的 高熵合金颗粒适合作为复合材料增强体。材料工程 年月图不同球磨时间高熵合金的微观形貌（）及粒径分布（）（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）（）（）（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）（）复合材料 分析图为 体 积 分 数 分 别 是，的（）复 合 材 料 块 体 的 图谱，衍射峰的强度随着 体积分数的增加
13、而增强。结合分析发现复合材料相成分仅包含 合金与 高熵合金，没有检测到属于其他相的衍射峰。表明在 进行等径角挤压时，高熵合金具有良好的稳定性，其与 合金未发生明显的界面反应，可作为铝基复合材料增强体。（）复合材料显微结构分析图 为 不 同 体 积 分 数（）复合材料的组织形貌，其中高熵合金体积分数第 卷第期 高熵合金颗粒增强 铝基复合材料的制备与性能图不同体积分数高熵合金颗粒增强铝基复合材料 图谱 分别为，和。图（）为 合金 照片，结合 分析，图（）（）中浅色颗粒 物 为 高 熵 合 金，深 色 区 域 为 合金基体，具体结果如图与表所示。对比图（）（）发现，当高熵合金颗粒含量低时，其在铝基体
14、中散布越均匀，当体积分数升高至 时，高熵合金颗粒出现团聚现象。赵彬等 采用挤压铸造工艺制备（）复合材料时也得到了相同结论，当 含量提高时复合材料局部出现团聚。出现这一现象的原因是，采用机械合金化制备的高熵合金表面能较高，其体积分数越大越易发生团聚。观察图（）发现制备 铝合金的表面存在大量成形缺陷，而随着 含量增加，基体中的孔隙数量和尺寸降低，这是因为高含量的 颗粒阻碍铝基体成形时的流动行为，进而提高铝基体致密度。此外，在 增强体中也发现裂纹，采用机械合金化制备 颗粒时，颗粒表面粗糙存在缺陷，在热挤压过程中 受 载 后 易 发 生 破 裂，破 碎 完 全 生 成 更 小 的 颗粒对铝合金强韧化有
15、积极作用，但是出现如图（）所示的恰好破裂和未完全破裂时，将严重阻碍铝合金强韧化，因此制备高质量 颗粒也将是未来的研究重点。图不同体积分数（）复合材料显微组织形貌（）；（）；（）；（）（）（）；（）；（）；（）图 为（）复 合 材 料 分析。着重对复合材料内部深色部分、浅色部分以及结合边界进行 测试，结果见表。分析结果显示，复合材料深色区域仅含有 元素，未有其他元素峰出现，表明深色区域为 合金基体，且除 元素外其他元素含量较低未被检测；结合边界 原子分数达到 ，而其他各元素含量均较低，原子分数为左右，这说明 颗粒与基体合金形成过渡层；浅色部分中 ，五种原子分数较为接近，而 元素的原子分数约为 元
16、素的，这与 高熵合金的设计成分相符合。通过 分析结果对比可知，高熵合材料工程 年月图（）复合材料 分析 （）表（）复合材料 分析结果（原子分数）（）（）金与 基体之间产生了原子扩散。为深入探究 高熵合金在 基体中的元素分散情况，对高熵合金增强体进行 线扫 描 测 试，其 分 析 结 果 如 图所 示。分 析 发 现 高熵合金与 合金基体结合处出现了较为明显的过渡层，过渡层厚度约为。该发现与 等 的研究结果不同，其研究表明在 下 增强体与 基体之间存在光滑的界面，在 以上的烧结温度下，增强体与 基体之间形成了过渡层，其厚度随温度升高而增大。通过本次线扫描分析发现，在 以下氛围中制备的复合材料也存在过渡层，高熵合金各元素均有向基体合金扩散的趋势。图为 体 积 分 数 为 的（）复合材料 图及其对应的 图。白色区域为 增强体，而深色区域代表 基体，增强体被很好地包裹在 基体中。从元素图可以看出，与 基体的界面没有发生明显的反应，增强体的各金属元素在粒子中分布相对均匀，没有明显的元素偏析。分析证实了 增强体扩散到 基体中，并且揭示 增强体具有良好的界面润湿性，能够与 基体形成良好的冶金结合。可