高熵合金顆粒增強(qiáng)鑄造鋁合金的制備及性能研究
發(fā)布時(shí)間：2021-11-29 08:38
高熵合金顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、韌性良好、界面潤(rùn)濕性好的特點(diǎn),是近些年研究熱點(diǎn),其在航空航天、軌道交通、通訊器件、LED等領(lǐng)域和行業(yè)具有顯著的應(yīng)用潛力。然而,目前關(guān)于高熵合金顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備成形研究主要為固態(tài)法,采用液態(tài)法鮮有報(bào)道。本文采用壓力浸滲工藝制備了高熵合金顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。分別研究了澆注溫度、體積分?jǐn)?shù)和球磨工藝（干磨、濕磨）對(duì)Al0.25Cu0.75FeCoNi顆粒增強(qiáng)鋁合金的組織和力學(xué)性能的影響。根據(jù)優(yōu)化的工藝參數(shù),制備了低密度AlSiTiCrNiCu高熵合金顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料,并研究了該材料的組織與性能,得出了以下主要結(jié)論:分別利用干磨法和濕磨法制備了Al0.25Cu0.75FeCoNi高熵合金顆粒。一種平均粒徑為53.6μm,另一種平均粒徑為15.7μm。這兩種工藝制備的Al0.25Cu0.75FeCoNi高熵合金顆粒均為FCC晶體結(jié)構(gòu)。利用濕磨法制備了AlSiTiCrNiCu高熵合金顆粒,平均粒徑為10.4μm,其...
【文章來源】：華南理工大學(xué)廣東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】：91 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
試樣的拉伸應(yīng)力和應(yīng)變曲線[23]
華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文4中存在大量的空位。金屬Cu顆粒原子占據(jù)鋁晶格原子空缺位置。因此，金屬Cu顆粒與鋁熔體發(fā)生了反應(yīng)。Yadav等人[27]又采用對(duì)攪拌摩擦加工的Cup/Al復(fù)合材料在350℃下保溫不同時(shí)間來調(diào)控界面反應(yīng)層厚度。研究發(fā)現(xiàn)，隨著保溫時(shí)間的增加，Cup/Al復(fù)合材料的界面擴(kuò)散層厚度在不斷增加，如圖1-2所示[27]。圖1-2Cup/Al復(fù)合材料在保溫前后SEM圖[27]：(a)保溫前，(b)保溫10min后Fig.1-2SEMimageofCup/Alcompositesduringheattreatment[27]:(a)before;(b)10minlater1.2.3高熵合金顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料之所以采用高熵合金顆粒作為增強(qiáng)體主要是因?yàn)楦哽睾辖痤w粒與鋁基體之間天然的界面潤(rùn)濕性，用以克服陶瓷顆粒的不足。另外，高熵合金具有高強(qiáng)、高硬、耐磨、耐腐蝕的特點(diǎn)，性能上又優(yōu)于其他傳統(tǒng)金屬單質(zhì)。利用高熵合金顆粒作為增強(qiáng)體，希望可以獲得高強(qiáng)韌的鋁基復(fù)合材料。丁霞[5]采用放電等離子燒結(jié)法制備了(AlSiTiCrNiCu)p/6061Al復(fù)合材料。當(dāng)增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，(AlSiTiCrNiCu)p/6061Al相比基體6061鋁合金，其屈服強(qiáng)度從127MPa提高到170MPa；其壓縮強(qiáng)度從489MPa提高到643MPa；壓縮率從44.6%降低到39.3%。分析表明，AlSiTiCrNiCu顆粒的加入在提高了材料強(qiáng)度的同時(shí)，還使得復(fù)合材料具有良好的壓縮率。Liu等人[6]采用放電等離子燒結(jié)法制備了體積分?jǐn)?shù)為5%的AlCoCrFeNi/Al復(fù)合材料。當(dāng)燒結(jié)溫度560℃時(shí)，高熵合金顆粒和鋁合金基體之間會(huì)形成過渡層，過渡層的厚度為4μm。隨著燒結(jié)溫度提高，AlCoCrFeNi/Al復(fù)合材料的過渡層厚度逐漸增加。當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到580℃，AlCoCrFeNi/Al復(fù)合材料的界面過渡層厚度為7.6μm；當(dāng)燒結(jié)溫度
第一章緒論5為600℃時(shí)，AlCoCrFeNi/Al復(fù)合材料的界面過渡層厚度達(dá)到15.1μm。燒結(jié)溫度為600℃時(shí)，AlCoCrFeNi/Al復(fù)合材料界面區(qū)域?yàn)镕CC晶體結(jié)構(gòu)。圖1-3為AlCoCrFeNi/Al復(fù)合材料界面TEM圖[6]。力學(xué)性能方面，燒結(jié)為540℃時(shí)，AlCoCrFeNi/Al復(fù)合材料屈服強(qiáng)度為96MPa，壓縮率為30%。隨著燒結(jié)溫度提高，AlCoCrFeNi/Al復(fù)合材料屈服強(qiáng)度和壓縮率逐漸升高。當(dāng)燒結(jié)溫度為580℃時(shí)，屈服強(qiáng)度提高到137MPa，壓縮率超過50%。圖1-3AlCoCrFeNi/Al復(fù)合材料TEM圖[6]Fig.1-3TEMimagesofAlCoCrFeNi/Alcomposites[6]WANG等人[7]采用熱擠壓法制備了FeNiCrCoAl3/2024Al復(fù)合材料。結(jié)果顯示，F(xiàn)eNiCrCoAl3/2024Al復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到710MPa。分析表明，F(xiàn)eNiCrCoAl3/2024Al復(fù)合材料的強(qiáng)度提高與球磨過程中α-Al晶粒的細(xì)化，添加的第二相FeNiCrCoAl3顆粒，以及基體中彌散分布的Al2Cu有關(guān)。朱德智等人[28]采用鋁管包覆高熵合金粉體的方式，分段將高熵合金顆粒添加到鋁熔體當(dāng)中，并加以攪拌。結(jié)果顯示，該工藝可以改善高熵合金粉體在鋁合金熔體中的團(tuán)聚現(xiàn)象。綜上所述，陶瓷顆粒增強(qiáng)體目前應(yīng)用較為成熟和廣泛，其成本也相對(duì)較低，而且對(duì)于復(fù)合材料強(qiáng)度和耐磨性能的提升作用較為明顯。另外，陶瓷顆粒如SiC、B4C、BN等密度較低，有利于獲得輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料。金屬顆粒目前研究比較多的是Ti、Ni、Cu顆粒，這些金屬顆粒與基體的潤(rùn)濕較好，其界面結(jié)合強(qiáng)度較高，對(duì)復(fù)合材料的塑性提升較為明顯。新型高熵合金顆粒與基體的潤(rùn)濕性較好，同時(shí)還具有高強(qiáng)、耐磨的特點(diǎn)，是一種應(yīng)用前景較好的增強(qiáng)體材料。目前，有關(guān)于金屬顆粒和高熵合金顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料多以固態(tài)法為主，采用液態(tài)法成形工藝的研究相對(duì)較少。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]過程控制劑對(duì)球磨法制備納米硅粉的影響[J]. 許寶松,陳琦,邱奔,徐冰潔,韓召. 功能材料. 2018(12)
[2]高體積分?jǐn)?shù)SiCp/A356復(fù)合材料的顯微組織和電導(dǎo)率[J]. 路建寧,王娟,鄭開宏,龍駿. 材料導(dǎo)報(bào). 2018(S1)
[3]氣霧化制備Al0.6CoCrFeNi高熵合金粉體的顯微組織演變（英文）[J]. 周上程,張鵬,薛云飛,王富恥,王魯,曹堂清,談?wù)?程寶元,王本鵬. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2018(05)
[4]陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J]. 郝世明,毛建偉,謝敬佩. 粉末冶金工業(yè). 2018(01)
[5]A light-weight high-entropy alloy Al20Be20Fe10Si15Ti35[J]. TSENG KoKai,YANG YaChu,JUAN ChienChang,CHIN TsungShune,TSAI CheWei,YEH JienWei. Science China（Technological Sciences）. 2018(02)
[6]高熵合金材料研究進(jìn)展（英文）[J]. 張蔚冉,Peter K.Liaw,張勇. Science China Materials. 2018(01)
[7]雙級(jí)機(jī)械攪拌鑄造SiCp/A357復(fù)合材料的工藝及性能[J]. 張楨林,張志峰,徐駿,王亞寶,張浩,毛衛(wèi)民. 特種鑄造及有色合金. 2017(06)
[8]陶瓷顆粒增強(qiáng)SiCp/Al鋁基復(fù)合材料制備和性能研究[J]. 郝世明,毛建偉,謝敬佩,劉佳斌. 鑄造. 2017(04)
[9]SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J]. 李書志,王鐵軍,王玲. 粉末冶金工業(yè). 2017(01)
[10]Synthesis and characterization of AlCoCrCuFeZnx high-entropy alloy by mechanical alloying[J]. M.Murali,S.P.Kumaresh Babu,B.Jeevan Krishna,A.Vallimanalan. Progress in Natural Science:Materials International. 2016(04)
博士論文
[1]微米、納米SiCp/Al2014復(fù)合材料的制備及組織性能[D]. 張龍江.吉林大學(xué) 2015
碩士論文
[1]AlSiTi系高熵合金增強(qiáng)6061Al復(fù)合材料的制備工藝與性能研究[D]. 丁霞.華南理工大學(xué) 2017
[2]高熵合金增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備及性能研究[D]. 陳奇.華南理工大學(xué) 2016
[3]壓力浸滲制備石墨增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其性能研究[D]. 童偉.合肥工業(yè)大學(xué) 2016
[4]輕質(zhì)及含鎂高熵合金的設(shè)計(jì)、微觀組織及儲(chǔ)氫性能研究[D]. 王穩(wěn).蘭州理工大學(xué) 2014
[5]機(jī)械合金化AlCoFeNiCu系高熵合金組織與性能研究[D]. 方思聰.華南理工大學(xué) 2014
[6]硼酸鎂晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備及其性能研究[D]. 邱娟.成都理工大學(xué) 2014
[7]碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料顯微組織和力學(xué)性能的研究[D]. 孫超.中南大學(xué) 2012
本文編號(hào)：3526193
【文章來源】：華南理工大學(xué)廣東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】：91 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
試樣的拉伸應(yīng)力和應(yīng)變曲線[23]
華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文4中存在大量的空位。金屬Cu顆粒原子占據(jù)鋁晶格原子空缺位置。因此，金屬Cu顆粒與鋁熔體發(fā)生了反應(yīng)。Yadav等人[27]又采用對(duì)攪拌摩擦加工的Cup/Al復(fù)合材料在350℃下保溫不同時(shí)間來調(diào)控界面反應(yīng)層厚度。研究發(fā)現(xiàn)，隨著保溫時(shí)間的增加，Cup/Al復(fù)合材料的界面擴(kuò)散層厚度在不斷增加，如圖1-2所示[27]。圖1-2Cup/Al復(fù)合材料在保溫前后SEM圖[27]：(a)保溫前，(b)保溫10min后Fig.1-2SEMimageofCup/Alcompositesduringheattreatment[27]:(a)before;(b)10minlater1.2.3高熵合金顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料之所以采用高熵合金顆粒作為增強(qiáng)體主要是因?yàn)楦哽睾辖痤w粒與鋁基體之間天然的界面潤(rùn)濕性，用以克服陶瓷顆粒的不足。另外，高熵合金具有高強(qiáng)、高硬、耐磨、耐腐蝕的特點(diǎn)，性能上又優(yōu)于其他傳統(tǒng)金屬單質(zhì)。利用高熵合金顆粒作為增強(qiáng)體，希望可以獲得高強(qiáng)韌的鋁基復(fù)合材料。丁霞[5]采用放電等離子燒結(jié)法制備了(AlSiTiCrNiCu)p/6061Al復(fù)合材料。當(dāng)增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，(AlSiTiCrNiCu)p/6061Al相比基體6061鋁合金，其屈服強(qiáng)度從127MPa提高到170MPa；其壓縮強(qiáng)度從489MPa提高到643MPa；壓縮率從44.6%降低到39.3%。分析表明，AlSiTiCrNiCu顆粒的加入在提高了材料強(qiáng)度的同時(shí)，還使得復(fù)合材料具有良好的壓縮率。Liu等人[6]采用放電等離子燒結(jié)法制備了體積分?jǐn)?shù)為5%的AlCoCrFeNi/Al復(fù)合材料。當(dāng)燒結(jié)溫度560℃時(shí)，高熵合金顆粒和鋁合金基體之間會(huì)形成過渡層，過渡層的厚度為4μm。隨著燒結(jié)溫度提高，AlCoCrFeNi/Al復(fù)合材料的過渡層厚度逐漸增加。當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到580℃，AlCoCrFeNi/Al復(fù)合材料的界面過渡層厚度為7.6μm；當(dāng)燒結(jié)溫度
第一章緒論5為600℃時(shí)，AlCoCrFeNi/Al復(fù)合材料的界面過渡層厚度達(dá)到15.1μm。燒結(jié)溫度為600℃時(shí)，AlCoCrFeNi/Al復(fù)合材料界面區(qū)域?yàn)镕CC晶體結(jié)構(gòu)。圖1-3為AlCoCrFeNi/Al復(fù)合材料界面TEM圖[6]。力學(xué)性能方面，燒結(jié)為540℃時(shí)，AlCoCrFeNi/Al復(fù)合材料屈服強(qiáng)度為96MPa，壓縮率為30%。隨著燒結(jié)溫度提高，AlCoCrFeNi/Al復(fù)合材料屈服強(qiáng)度和壓縮率逐漸升高。當(dāng)燒結(jié)溫度為580℃時(shí)，屈服強(qiáng)度提高到137MPa，壓縮率超過50%。圖1-3AlCoCrFeNi/Al復(fù)合材料TEM圖[6]Fig.1-3TEMimagesofAlCoCrFeNi/Alcomposites[6]WANG等人[7]采用熱擠壓法制備了FeNiCrCoAl3/2024Al復(fù)合材料。結(jié)果顯示，F(xiàn)eNiCrCoAl3/2024Al復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到710MPa。分析表明，F(xiàn)eNiCrCoAl3/2024Al復(fù)合材料的強(qiáng)度提高與球磨過程中α-Al晶粒的細(xì)化，添加的第二相FeNiCrCoAl3顆粒，以及基體中彌散分布的Al2Cu有關(guān)。朱德智等人[28]采用鋁管包覆高熵合金粉體的方式，分段將高熵合金顆粒添加到鋁熔體當(dāng)中，并加以攪拌。結(jié)果顯示，該工藝可以改善高熵合金粉體在鋁合金熔體中的團(tuán)聚現(xiàn)象。綜上所述，陶瓷顆粒增強(qiáng)體目前應(yīng)用較為成熟和廣泛，其成本也相對(duì)較低，而且對(duì)于復(fù)合材料強(qiáng)度和耐磨性能的提升作用較為明顯。另外，陶瓷顆粒如SiC、B4C、BN等密度較低，有利于獲得輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料。金屬顆粒目前研究比較多的是Ti、Ni、Cu顆粒，這些金屬顆粒與基體的潤(rùn)濕較好，其界面結(jié)合強(qiáng)度較高，對(duì)復(fù)合材料的塑性提升較為明顯。新型高熵合金顆粒與基體的潤(rùn)濕性較好，同時(shí)還具有高強(qiáng)、耐磨的特點(diǎn)，是一種應(yīng)用前景較好的增強(qiáng)體材料。目前，有關(guān)于金屬顆粒和高熵合金顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料多以固態(tài)法為主，采用液態(tài)法成形工藝的研究相對(duì)較少。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]過程控制劑對(duì)球磨法制備納米硅粉的影響[J]. 許寶松,陳琦,邱奔,徐冰潔,韓召. 功能材料. 2018(12)
[2]高體積分?jǐn)?shù)SiCp/A356復(fù)合材料的顯微組織和電導(dǎo)率[J]. 路建寧,王娟,鄭開宏,龍駿. 材料導(dǎo)報(bào). 2018(S1)
[3]氣霧化制備Al0.6CoCrFeNi高熵合金粉體的顯微組織演變（英文）[J]. 周上程,張鵬,薛云飛,王富恥,王魯,曹堂清,談?wù)?程寶元,王本鵬. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2018(05)
[4]陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J]. 郝世明,毛建偉,謝敬佩. 粉末冶金工業(yè). 2018(01)
[5]A light-weight high-entropy alloy Al20Be20Fe10Si15Ti35[J]. TSENG KoKai,YANG YaChu,JUAN ChienChang,CHIN TsungShune,TSAI CheWei,YEH JienWei. Science China（Technological Sciences）. 2018(02)
[6]高熵合金材料研究進(jìn)展（英文）[J]. 張蔚冉,Peter K.Liaw,張勇. Science China Materials. 2018(01)
[7]雙級(jí)機(jī)械攪拌鑄造SiCp/A357復(fù)合材料的工藝及性能[J]. 張楨林,張志峰,徐駿,王亞寶,張浩,毛衛(wèi)民. 特種鑄造及有色合金. 2017(06)
[8]陶瓷顆粒增強(qiáng)SiCp/Al鋁基復(fù)合材料制備和性能研究[J]. 郝世明,毛建偉,謝敬佩,劉佳斌. 鑄造. 2017(04)
[9]SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J]. 李書志,王鐵軍,王玲. 粉末冶金工業(yè). 2017(01)
[10]Synthesis and characterization of AlCoCrCuFeZnx high-entropy alloy by mechanical alloying[J]. M.Murali,S.P.Kumaresh Babu,B.Jeevan Krishna,A.Vallimanalan. Progress in Natural Science:Materials International. 2016(04)
博士論文
[1]微米、納米SiCp/Al2014復(fù)合材料的制備及組織性能[D]. 張龍江.吉林大學(xué) 2015
碩士論文
[1]AlSiTi系高熵合金增強(qiáng)6061Al復(fù)合材料的制備工藝與性能研究[D]. 丁霞.華南理工大學(xué) 2017
[2]高熵合金增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備及性能研究[D]. 陳奇.華南理工大學(xué) 2016
[3]壓力浸滲制備石墨增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其性能研究[D]. 童偉.合肥工業(yè)大學(xué) 2016
[4]輕質(zhì)及含鎂高熵合金的設(shè)計(jì)、微觀組織及儲(chǔ)氫性能研究[D]. 王穩(wěn).蘭州理工大學(xué) 2014
[5]機(jī)械合金化AlCoFeNiCu系高熵合金組織與性能研究[D]. 方思聰.華南理工大學(xué) 2014
[6]硼酸鎂晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備及其性能研究[D]. 邱娟.成都理工大學(xué) 2014
[7]碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料顯微組織和力學(xué)性能的研究[D]. 孫超.中南大學(xué) 2012
本文編號(hào)：3526193
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