一种轻质AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种轻质AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。该轻质AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料采用密度在4.5‑5.0g/cm3之间的AlSiTi系高熵合金颗粒为增强相，铝合金为基体。所述制备方法包括如下步骤：（1）制备高熵合金粉末；（2）制备预制块；（3）放电等离子烧结制备铝基复合材料。该轻质AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料具有较低的密度，密度在2.7‑3.8g/cm3之间，且该复合材料的综合力学性能优异，具有良好的推广应用前景。

Light AlSiTi series high entropy alloy particle reinforced aluminum base composite material and preparation method thereof

The invention discloses a lightweight AlSiTi high entropy alloy particle reinforced aluminum matrix composite material and a preparation method thereof. The lightweight AlSiTi high entropy alloy particles reinforced aluminum matrix composites with a density between 4.5 5.0g/cm3 AlSiTi high entropy alloy particles as reinforcement, Aluminum Alloy matrix. The preparation method comprises the following steps: (1) the preparation of the high entropy alloy powder; (2) the preparation of the prefabricated block; (3) the preparation of the aluminum matrix composite material by spark plasma sintering. The lightweight AlSiTi high entropy alloy particles reinforced aluminum matrix composites with low density, density is between 2.7 3.8g/cm3 and, excellent comprehensive mechanical performance of the composite material, has good application prospects.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于铝基复合材料制造领域，特别涉及一种轻质AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。
技术介绍
航空航天、建筑、交通、运输等行业及军工领域对轻质、高强、高韧、高模铝合金材料的需求非常强烈，推动了铝基复合材料的发展。而非金属增强铝基复合材料存在界面相容性差、在服役过程中界面易开裂诱发材料失效等问题。源于金属-金属间天然的优良界面结合特性，高熵合金与铝合金基体间的界面润湿性和相容性极好。因此，高熵合金作为金属基复合材料中的增强相材料是一个非常好的选择。目前，已有关于高熵合金颗粒增强铝基复合材料的研究报道，该新型铝基复合材料表现出较好的强韧化效果。王志伟等人采用FeNiCrCoAl3颗粒增强2024Al复合材料，在适当条件下，热挤出合金的压缩强度达710 MPa（Zhiwei Wang，Yanbo Yuan，Rui—xiao Zheng，Kei Ameyama，Chao1i MA. Microstructures and mechanical properties extruded 2024 aluminum alloy reinforced by FeNiCrCoAl3 particles. Trans．Nonferrous Met．Soc．China 2014 24:2366—2373）。刘鑫旺等人采用A1CoCrFeNiTi0.5高熵合金颗粒增强铝合金，所制备的高熵合金颗粒增强铝基复合材料的拉伸强度提高了32.4-90.1%，延伸率提高了29.6-52.0%（刘鑫旺，孙锐，刘富初，樊自田. 一种高熵合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法. CN201510295477.1）。但是，迄今为止，针对高熵合金增强铝基复合材料的研究主要采用高密度FeCoNiAlTi（Cr）系高熵合金增强相（密度一般在8.0g/cm3以上），对采用低密度高熵合金（密度小于5.0g/cm3）颗粒增强铝基复合材料的研究报道暂未发现。由于铝合金是一种航空航天、交通运输及军工领域广泛使用的轻量化材料，高密度FeCoNiAlTi（Cr）系高熵合金增强相的加入使得铝合金材料的轻量化优势不复存在。高的密度将严重削弱铝合金材料的高比强度、高比模量等性能优势，同时也极大地限制了该类材料在航空航天、新能源汽车、轨道交通等领域的应用范围。因此，需要开发低密度的高熵合金增强相材料，在增强铝合金材料的同时又不减弱其轻质优势。
技术实现思路
为了有效降低目前使用的高熵合金颗粒的密度，本专利技术提出采用低密度的AlSiTi系高熵合金颗粒来增强铝合金材料，从而获得一种轻质AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料。本专利技术还提供该轻质AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料的制备方法，该方法是一种快速烧结的固态成型工艺，不仅可以使复合材料达到近乎致密状态，还可以控制高熵合金颗粒和铝合金基体之间的界面反应，有效提高材料的强度和韧性。本专利技术的目的通过下述技术方案实现。一种轻质AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料，增强相为AlSiTi系高熵合金颗粒，基体为铝合金。进一步地，所述AlSiTi系高熵合金颗粒的主要合金元素为Al、Si和Ti元素，辅助添加元素包括Cr、V、Cu和Ni中的一种以上。进一步地，所述AlSiTi系高熵合金包括AlSiTiVCr系、AlSiTiVCu系、AlSiCuTiCr系或AlSiCuNiTiCr系高熵合金。进一步地，所述铝合金包括变形铝合金和铸造铝合金。更进一步地，所述变形铝合金包括1xxx系、2xxx系、4xxx系、5xxx系、6xxx系或7xxx系铝合金，所述铸造铝合金包括Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-RE系或Al-Zn系铝合金。进一步地，所述AlSiTi系高熵合金颗粒的体积分数在0.1%～35%之间，所述铝合金的体积分数在65%～99.9%之间，且二者之和等于1。进一步地，所述轻质AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料具有较低的密度，采用的增强相AlSiTi系高熵合金的密度在4.5-5.0g/cm3之间，轻质AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料的密度在2.7-3.8g/cm3之间。一种轻质AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料的制备方法，采用机械合金化工艺制备AlSiTi系高熵合金颗粒，将制备的AlSiTi系高熵合金颗粒与铝合金粉混合均匀并压制成预制块，采用放电等离子烧结工艺将预制块制备成形为铝基复合材料。一种轻质AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：（1）制备高熵合金粉末：按照AlSiTi系高熵合金的成分用电子天平称量相应各纯金属粉末，然后在混粉机上混粉，混合均匀后装进不锈钢球磨罐中，抽真空并在氩气保护气氛下，在行星球磨机上进行机械合金化，干燥，得AlSiTi系高熵合金粉末；（2）制备预制块：将获得的AlSiTi系高熵合金粉末进行筛分，获得AlSiTi系高熵合金颗粒，再与铝合金粉混合后用压机压制成预制块；（3）放电等离子烧结制备铝基复合材料：采用放电等离子烧结系统（SPS）对制备的预制块进行烧结，烧结完成后随炉冷却至室温，脱模，得到所述轻质AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料。进一步地，步骤（1）中，各纯金属粉末的摩尔比按照AlSiTi系高熵合金中对应各元素的化学计量比。进一步地，步骤（1）中，所述混粉的时间为6～24h。进一步地，步骤（1）中，机械合金化球磨过程中的球料比为6:1~10:1，优选为8：1。进一步地，步骤（1）中，机械合金化球磨过程的时间为6～60h，转速为150～600r/min，过程控制剂为无水乙醇或环己烷。进一步地，步骤（2）中，所述AlSiTi系高熵合金颗粒的粒径分布为27～250μm。进一步地，步骤（2）中，所述压制的压力为200-400MPa，保压时间为5-20s。进一步地，步骤（3）中，所述烧结的温度为450℃～550℃，升温速率为50～120℃/min，保温烧结时间为5～20min，烧结压力为20～50MPa。进一步地，步骤（3）中，烧结过程采用的模具为石墨模具。本专利技术制备方法的原理为：放电等离子烧结是一种快速、低温烧结成形工艺，也是一种固态烧结工艺。该工艺具有热压烧结的焦耳热和加压造成的塑性变形促进烧结优势，同时有效利用了颗粒间放电产生的自发热作用，产生了一些SPS过程所特有的利于烧结的现象。第一，脉冲放电将粉末表面的起始氧化膜在一定程度上击穿，使粉末得以净化、活化；第二，由于脉冲是瞬间、断续、高频率发生，粉末颗粒产生的焦耳热，都大大促进了粉末颗粒原子的扩散，从而达到粉末烧结的快速化；第三，On-Off快速脉冲的加入，使粉末内的放电部位及焦耳发热部件，都会快速移动，使粉末的烧结能够均匀化，使脉冲集中在晶粒结合处。另外，所选用的AlSiTi系高熵合金具有很好的热稳定性，在低温烧结过程中可以快速成形，从而避免其与铝合金基体发生严重的界面反应和有害脆性相的生成。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点及效果：1、本专利技术涉及的AlSiTi系高熵合金材料以及AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料的密度较低，AlSiTi系高熵合金的密度在4.5-5.0g/cm3之间，铝基复合材料的密度在2.7-3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种轻质AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料，其特征在于：增强相为AlSiTi系高熵合金颗粒，基体为铝合金。

【技术特征摘要】
1.一种轻质AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料，其特征在于：增强相为AlSiTi系高熵合金颗粒，基体为铝合金。2.根据权利要求1所述的一种轻质AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，所述AlSiTi系高熵合金颗粒的主要合金元素为Al、Si和Ti元素，辅助添加元素包括Cr、V、Cu和Ni中的一种以上；所述AlSiTi系高熵合金包括AlSiTiVCr系、AlSiTiVCu系、AlSiCuTiCr系或AlSiCuNiTiCr系高熵合金。3.根据权利要求1所述的一种轻质AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，所述铝合金包括变形铝合金和铸造铝合金；所述变形铝合金包括1xxx系、2xxx系、4xxx系、5xxx系、6xxx系或7xxx系铝合金，所述铸造铝合金包括Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-RE系或Al-Zn系铝合金。4.根据权利要求1所述一种轻质AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料，其特征在于：所述AlSiTi系高熵合金颗粒的体积分数在0.1%～35%之间，所述铝合金的体积分数在65%～99.9%之间，且二者之和等于1。5.根据权利要求1所述一种轻质AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料，其特征在于：所述轻质AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料具有较低的密度，采用的增强相AlSiTi系高熵合金的密度在4.5-5.0g/cm3之间，轻质AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料的密度在2.7-3.8g/cm3之间。6.制备权利要求1-5任一项所述轻质AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱德智，戚龙飞，丁霞，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44