SPS法制备CoCrFeMnNi/6061Al复合材料及其组织性能研究

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颗粒增强复合材料是金属基复合材料的重要组成部分,铝基复合材料具有高比强度和比刚度、热稳定性好、良好的导热性、耐腐蚀等优点,因此被广泛用于航空航天、光学仪器、电子封装等先进技术中。目前复合材料主要以陶瓷作为颗粒增强相,但陶瓷颗粒做增强体往往存在与基体润湿性差、界面结合强度低等问题。高熵合金为金属基增强体时,其具有的高强度、高硬度、良好热稳定性以及与基体的相容性好等特征,恰好可以解决这些问题。选用高熵合金颗粒作为增强体,采用放电等离子烧结(SPS)的方法制备CoCrFeMnNi/6061Al复合材料,可以获得综合性能良好的复合材料,本研究对于扩大铝合金的应用范围具有一定的指导意义。试验借助扫描显微镜(SEM)对复合材料的微观形貌进行表征,利用X射线衍射仪(XRD)对复合材料进行物相分析,使用电子分析天平测定复合材料的密度;分析复合材料宏观力学性能,包括硬度测试、拉伸性能、摩擦磨损性能分析等;纳米压痕仪用于分析复合材料上单颗粒的微纳力学性能。试验用高能球磨法将75μm的球形CoCrFeMnNi高熵颗粒和13μm的球形6061铝合金粉末混合均匀。球料比为8:1,转速为1200 r/min,球磨时间4 h,所用球磨罐为不锈钢球磨罐,氩气保护。将混合均匀的粉末放入SPS烧结炉内,在580℃下进行烧结,保温5 min,最终得到无明显空洞、裂纹等缺陷的CoCrFeMnNi/6061Al复合材料,增强颗粒在基体中分布均匀。通过烧结所得的复合材料在基体和增强颗粒之间形成厚度为20μm左右的界面反应层,界面形状呈“花瓣状”。界面层可分为界面层I和界面层II两部分,由XRD衍射图发现复合材料中新生成了BCC固溶体相,未发现有金属间化合物生成,界面上由于Al元素的梯度分布生成了新的Alx(CoCrFeMnNi)100-x(x为at%)高熵合金。复合材料的理论密度和实际密度都随着增强体颗粒含量的增多而升高,但致密度却随增强体含量的增多降低;复合材料的整体致密度良好,最高为99.3%,最低为97.7%。复合材料的宏观硬度随着增强体含量的增多而升高,增强体含量为10wt%时,布氏硬度数值达到73 HB;复合材料界面层II具有最高的显微硬度值,达到691 HV0.1。对增强体含量为0.57wt%的复合材料进行拉伸试验,得出复合材料的极限抗拉强度随增强体含量的增多先上升后下降,伸长率一直下降;增强体含量为1wt%时复合材料的综合力学性能较好,极限抗拉强度为280.04 MPa,较基体提高约83%,伸长率达到11.3%。拉伸试验所得的断口形貌主要是增强颗粒从基体中拔出,断裂时裂纹通常在界面层发生偏转和扩展。对复合材料进行摩擦磨损试验,增强体为1040wt%时,得出复合材料的耐磨性随增强体含量的增多而提高,当增强体含量为40wt%时,比磨损率达到6.65?10-7 mm3/N?m。增强体含量为10wt%和20wt%时,复合材料的磨损机理主要是粘着磨损、剥层磨损和磨粒磨损;当增强含量为30wt%和40wt%时,磨损机理主要是粘着磨损和剥层磨损。对复合材料上单个颗粒各微区的微纳力学性能进行研究,发现界面层的微区弹性模量和硬度值均大于增强颗粒和基体,界面层具有良好的微纳力学性能,对提高复合材料的宏观力学性能起着重要作用,研究材料的微观力学性能可以有效地指导复合材料的设计,以获得理想的宏观力学性能。
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