阅读说明：本技术 一种高熵合金颗粒增强金属基复合材料及其制备方法 (High-entropy alloy particle reinforced metal matrix composite material and preparation method thereof ) 是由 袁战伟 刘欢 田文斌 张学敏 于 2020-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高熵合金颗粒增强金属基复合材料及其制备方法,包括以下步骤；1.取两块同等大小的金属板,将高熵合金颗粒均匀涂覆于金属板的表面,然后将两块金属板依次进行堆叠、铆接和轧制,形成复合板；2.对复合板进行累积叠轧焊,累积叠轧焊的每一道次,均进行裁剪、堆叠和铆接,直到叠层厚度达到所需厚度,形成复合材料；3.对累积叠轧焊完成后的复合材料进行热处理,使高熵合金颗粒与金属板之间形成扩散层,得到高熵合金颗粒增强金属基复合材料。得到具有强度提高且塑韧性得到良好发挥的高熵合金颗粒增强金属基复合材料。(The invention discloses a high-entropy alloy particle reinforced metal matrix composite material and a preparation method thereof, and the preparation method comprises the following steps; 1. taking two metal plates with the same size, uniformly coating high-entropy alloy particles on the surfaces of the metal plates, and then sequentially stacking, riveting and rolling the two metal plates to form a composite plate; 2. performing accumulative roll welding on the composite plate, and cutting, stacking and riveting each pass of the accumulative roll welding until the thickness of the laminated layer reaches the required thickness to form a composite material; 3. and carrying out heat treatment on the composite material after the accumulative stitch welding is finished, so that a diffusion layer is formed between the high-entropy alloy particles and the metal plate, and obtaining the high-entropy alloy particle reinforced metal matrix composite material. The high-entropy alloy particle reinforced metal matrix composite material with improved strength and good exertion of plasticity and toughness is obtained.)

一种高熵合金颗粒增强金属基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于金属基复合材料领域，涉及一种高熵合金颗粒增强金属基复合材料及其制备方法。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料是以金属及其合金为基体，以金属或非金属颗粒为增强相的非均质混合物。复合材料能否取得优异性能的关键在于基体相与增强相界面是否产生了良好的界面结合。目前，经常用于颗粒增强金属基复合材料增强体的主要有碳化硅颗粒、氮化硼颗粒等，大多为非金属颗粒，难以与金属颗粒形成稳定有效的冶金界面。近年来开发出金属基增强体，如镁基、铁基、锆基非晶材料等，能够与金属基体之间形成稳定有效的结合界面，但由于非晶材料晶化温度的限制，烧结过程难以在较高温度下进行，影响材料致密化，然而含有多种组元的高熵合金具有与金属基体良好的结合且可实现复合材料的致密化。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高熵合金颗粒增强金属基复合材料及其制备方法，得到具有强度提高且塑韧性得到良好发挥的高熵合金颗粒增强金属基复合材料。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种高熵合金颗粒增强金属基复合材料制备方法，包括以下步骤；

步骤一，取两块同等大小的金属板，将高熵合金颗粒均匀涂覆于金属板的表面，然后将两块金属板依次进行堆叠、铆接和轧制，形成复合板；

步骤二，对复合板进行累积叠轧焊，累积叠轧焊的每一道次，均进行裁剪、堆叠和铆接，直到叠层厚度达到所需厚度，形成复合材料；

步骤三，对累积叠轧焊完成后的复合材料进行热处理，使高熵合金颗粒与金属板之间形成扩散层，得到高熵合金颗粒增强金属基复合材料。

优选的，步骤一中，高熵合金颗粒涂覆前，将金属板进行表面处理，直到表面显露出新鲜金属。

进一步，表面处理的步骤为：

步骤1.使用丙酮清洗铝板表面油污；

步骤2.将丙酮清洗后的金属板表面在碱液浸泡20-40分钟，碱液采用浓度为2％的NaOH溶液，然后用去离子水冲洗并烘干；

步骤3.用钢丝刷清洗表面，露出表面新鲜金属。

优选的，步骤一中，高熵合金颗粒采用料浆涂覆或料浆喷涂的方式，涂覆于金属板表面。

优选的，采用冷轧进行轧制，冷轧温度为20-500℃。

优选的，累积叠轧焊的叠轧道次为4～20道次。

优选的，热处理时的温度为500-1200℃，保温时间为6-24小时。

优选的，金属板采用Al、Mg、Cu、Ti、Ni、Fe、Au和Ag中的一种或多种制成。

优选的，高熵合金颗粒由Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn和Mo元素中选配而成。

一种高熵合金颗粒增强金属基复合材料，包括依次交错重叠的高熵合金颗粒层和金属板。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明对金属板和高熵合金颗粒层进行累积叠轧焊，经过累积叠轧焊的复合板具有了极高的致密度，高熵合金颗粒与金属板层层交替，然后累积叠轧焊及热处理后得到复合板，在热处理过程中，使得高熵合金增强体和金属板发生良好的相扩散，得到了优良的界面结合强度，实现了高熵合金增强体和金属板的机械结合及浸润与溶解两种结合方式，并且极大的简化了工艺流程，使得生产周期缩短，生产效率得到了极大提高。

进一步，在低温下轧制，能够使复合材料在低温下制备过程中致密化，成型过程中变形量大，金属基体的晶粒更加细小，高熵合金颗粒增强体分布更加均匀。

进一步，通过控制累积叠轧焊的道次，来控制叠层厚度，操作简单，经济性优良。

进一步，采用加垫块和调整压平辊弹簧的方式，能够在轧制过程中金属板过薄时，使金属板避免轧制过程中左右摆动。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图；

图2为本发明实施例1的热处理前的金相显微组织图；

图3为本发明实施例1的热处理后的金相显微组织图；

图4为本发明实施例1的热处理后的元素分布。

其中：1-高熵合金颗粒；2-金属板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，为本发明所述仿三明治结构高熵合金颗粒增强金属基复合材料制备方法的流程图，制备方法过程如下：

步骤一，取两块同等大小的金属板2，本实施例采用金属薄板，将金属板2进行表面处理，表面处理的步骤为：

步骤1.使用丙酮清洗铝板表面油污；

步骤2.将丙酮清洗后的材料表面在碱液浸泡，然后用去离子水冲洗并烘干；

步骤3.用钢丝刷清洗表面，露出表面新鲜金属。

将高熵合金颗粒1均匀涂覆于金属板2的表面，喷涂的方式采用料浆涂覆或料浆喷涂，然后将两块金属板2依次进行堆叠、铆接和轧制，形成复合板，轧制采用冷轧。

铆接指将两块相同尺寸的金属薄板在一端同样的位置打孔，利用金属薄板材质的铆钉在开孔位置处将两者一段铆接。

金属板2采用Al、Mg、Cu、Ti、Ni、Fe、Au和Ag中的一种或多种制成。

高熵合金颗粒1由Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn和Mo元素中选配而成。

步骤二，对复合板进行累积叠轧焊，累积叠轧焊的每一道次，均进行从中间裁剪、堆叠和铆接，直到叠层厚度达到所需厚度，形成复合材料。叠层的厚度，是通过前述的累积叠轧焊工艺中叠轧道次来控制的，轧制道次依层厚的不同要求为4～20道次，实现了高熵合金颗粒1和金属板2的机械结合。当轧制过程中金属板2过薄时，在金属板2底部加垫块，并且调整压平辊弹簧，当压平辊间距过大时，拧紧压平辊弹簧，当压平辊间距过小时，调松压平辊弹簧。

步骤三，对累积叠轧焊完成后的复合材料进行热处理，选择性实现机械结合，机械结合-浸润与溶解两种结合方式。热处理时的温度为，保温时间为，通过调整加热温度与保温时间来实现高熵合金颗粒1增强体与铝基体之间元素的扩散，使高熵合金颗粒1与金属板2之间形成扩散层，实现了高熵合金颗粒1和金属板2的浸润与溶解结合，提高界面结合强度，最终得到仿三明治结构高熵合金颗粒增强金属基复合材料。

实施例1

高熵合金颗粒1采用AlCoNiCrFe，金属板2采用5052Al，制备仿三明治结构高熵合金颗粒增强金属基复合材料。图1为本发明的仿三明治结构高熵合金颗粒增强铝基复合材料制备的演变示意及工艺流程图。

首先，将长宽厚为400×100×1.5mm铝板，裁剪成等尺寸为200×100×1.5mm的两块，并对其表面进行处理，采用丙酮清洗铝板表面油污，将丙酮清洗后的材料表面在碱液中浸泡30分钟，碱液选用浓度为2％的NaOH溶液，用去离子水冲洗并烘干，最后用钢丝刷清洗表面，露出表面新鲜金属。然后，将粒径为38-75μm的AlCoNiCrFe高熵合金颗粒粉末，按体积分数为10％的用量，用喷枪均匀喷涂于2块铝板上，然后将两块铝板在一端同样的位置打孔，利用5052Al材质的铆钉在开孔位置处将两者一段铆接。将获得的复合板在350℃进行轧制，这时材料已结合到一起，记为第1道次。轧完一次后从中间裁切成相同的两份，经过表面处理后，堆叠，铆接再次轧制，记为第2道次。通过累积叠轧焊的方式，控制叠轧道次，得到叠层尺度不同的复合材料，然后对累积叠轧焊后复合板置于热处理炉中，使高熵合金颗粒增强体与铝基体之间发生元素扩散，形成良好的界面结构。其中，在叠轧道次为5道次，取样进行热处理，热处理过程中加热温度选择500℃，同时保温时间选择24h，对热处理前与热处理后的试样分别进行组织结构分析，并通过力学性能实验分析其性能。

采用上述步骤制备的仿三明治结构高熵合金颗粒增强铝基复合材料，图2为在350℃累积轧制后未热处理的复合材料的金相显微图，在放大倍数为500时，可以看出高熵合金颗粒相与金属板相未发生扩散，没有形成扩散层，通过力学性能实验，所获得的复合材料的杨氏模量为76GPa，硬度为1.42GPa。图3在350℃累积轧制后，在热处理温度为500℃下保温24h的复合材料的金相显微图，可以看出高熵合金颗粒1与金属板2之间形成了扩散层，所获得的复合材料的杨氏模量为80GPa，硬度为1.61GPa。图4为使用能谱仪测量对在350℃累积轧制后，在热处理温度为500℃下保温24h的复合材料进行了测量，发现高熵合金颗粒1与金属板2之间的扩散层中存在高熵合金元素与基体元素，从而说明热处理后基体与增强体之间实现了扩散，达到了有效的界面结合。

实施例2

高熵合金颗粒1采用AlCoNiCrFe，金属板2采用5052Al，制备仿三明治结构高熵合金颗粒增强金属基复合材料。

本实施例与实施例1类同，不同之处在于表面处理时，将金属板2在浓度为2％的NaOH溶液中浸泡20分钟，叠轧道次为10道次，轧制温度为320℃，热处理温度为530℃，保温时间为6h，制备仿三明治结构高熵合金颗粒增强铝基复合材料。

实施例3

高熵合金颗粒1采用AlCoNiCrFe，金属板2采用5052Al，制备仿三明治结构高熵合金颗粒增强金属基复合材料。

本实施例与实施例1类同，不同之处在于表面处理时，将金属板2在浓度为2％的NaOH溶液中浸泡20分钟，叠轧道次为10道次，轧制温度为20℃，热处理温度为530℃，保温时间为6h，制备仿三明治结构高熵合金颗粒增强铝基复合材料。

实施例4

高熵合金颗粒1采用AlCoNiCrFe，金属板2采用5052Al，制备仿三明治结构高熵合金颗粒增强金属基复合材料。

本实施例与实施例1类同，不同之处在于将金属板2在浓度为2％的NaOH溶液中浸泡40分钟，叠轧道次为15道次，轧制温度为380℃，热处理温度为560℃，保温时间为24h，制备仿三明治结构高熵合金颗粒增强铝基复合材料。

实施例5

高熵合金颗粒1采用CoNiFeCrAl_0.6Ti_0.4，金属板2采用5052Al，制备仿三明治结构高熵合金颗粒增强金属基复合材料。

本实施例与实施例1类同，不同之处在于原料中的高熵合金颗粒1为CoNiFeCrAl_0.6Ti_0.4，制备仿三明治结构高熵合金颗粒增强铝基复合材料。

实施例6

高熵合金颗粒1采用Al_0.3CoCrFeNi，金属板2采用纯Cu，制备仿三明治结构高熵合金颗粒增强金属基复合材料。

本实施例与实施例1类同，不同之处在于原料中的高熵合金颗粒1为Al_0.3CoCrFeNi，金属板2为纯Cu，叠轧时的温度为400℃，热处理时在温度950℃下保温12h，制备仿三明治结构高熵合金颗粒增强金属基复合材料。

实施例7

高熵合金颗粒1采用CrMnFeCoMoW，金属板2采用纯Ti，制备仿三明治结构高熵合金颗粒增强金属基复合材料。

本实施例与实施例1类同，不同之处在于原料中的高熵合金颗粒1为CrMnFeCoMoW，金属板2采用纯Ti，叠轧时的温度为400℃，热处理时在温度1000℃下保温12h，制备仿三明治结构高熵合金颗粒增强金属基复合材料。

实施例8

高熵合金颗粒1采用AlMgLiCuZn，金属板2采用纯Mg，制备仿三明治结构高熵合金颗粒增强金属基复合材料。

本实施例与实施例1类同，不同之处在于原料中的高熵合金颗粒1为AlMgLiCuZn，金属板2为纯Mg，叠轧时的温度为200℃，热处理时在温度550℃下保温12h，制备仿三明治结构高熵合金颗粒增强金属基复合材料。

实施例9

高熵合金颗粒1采用CrMnFeCoNi，金属板2采用NiAl合金，制备仿三明治结构高熵合金颗粒增强金属基复合材料。

本实施例与实施例1类同，不同之处在于原料中的高熵合金颗粒1为CrMnFeCoNi，金属板2采用NiAl合金，叠轧时的温度为500℃，热处理时在温度1200℃下保温12h，制备仿三明治结构高熵合金颗粒增强金属基复合材料。

上述实施例为本发明的优选实施例，本发明还有其他的实施方式，比如所述的原料金属可以使选自Al、Mg、Cu、Ti、Ni、Fe、Au、Ag中的一至多种，高熵合金颗粒组成元素可由Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、W、Mo等元素的任意多种。变换这些条件或者实施过程中的参数条件，本发明都是可以实现的，这对于本领域的技术人员来说，是非常容易的。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。