【摘 要】
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铝基复合材料由于其具有高强度、高耐磨等性能在航天、交通等领域应用比例大幅度增加。目前大多数都是采用粉末冶金法制备铝基复合材料,而利用传统铸造技术报道较少。因此,本文主要致力于采用传统铸造技术在基体铝合金中添加高熵合金来制备多相金属间化合物增强的铝基复合材料。本文分别在纯铝中添加AlCoCrFeNiTi和AlSiTiCrNiCu并在6061铝合金中添加AlCoCrFeNi高熵合金制备出铝基复合材料。
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铝基复合材料由于其具有高强度、高耐磨等性能在航天、交通等领域应用比例大幅度增加。目前大多数都是采用粉末冶金法制备铝基复合材料,而利用传统铸造技术报道较少。因此,本文主要致力于采用传统铸造技术在基体铝合金中添加高熵合金来制备多相金属间化合物增强的铝基复合材料。本文分别在纯铝中添加AlCoCrFeNiTi和AlSiTiCrNiCu并在6061铝合金中添加AlCoCrFeNi高熵合金制备出铝基复合材料。借助光学显微镜、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)、透射电镜(TEM)、拉伸试验机和摩擦试验机等测试设备分析了铝基复合材料的微观组织、力学性能和摩擦学行为,得出以下结论:当纯铝中引入AlCoCrFeNiTi高熵合金时,凝固过程中在α-Al基体上析出条状和块状的金属间化合物,并且金属间化合物的数量随AlCoCrFeNiTi引入量的增加而增加。另外,在α-Al的枝晶间分布着直径小于200nm的棒状相。α-Al的晶粒尺寸也随高熵合金添加量的增加而减小。复合材料的力学性能也会随高熵合金的添加而改变。抗拉强度呈现出先增加后减小的趋势,在添加5.0wt.%的高熵合金后,抗拉强度从纯铝的58MPa提高到170MPa,提高了 193.1%,而延伸率则随高熵合金添加量的增加而降低,在6.0wt.%时,延伸率降至18.2%。另外,研究了海水条件下铝基复合材料的摩擦学行为,其摩擦系数和磨损率都随高熵合金添加量的增加而降低。当添加量达到6.0 wt.%时,铝基复合材料的摩擦系数从 0.83 降至 0.24,降低 71.1%,磨损率从 2.48 × 10-9m3N-1m-1降至 2.27× 10-10m3N-1m-1,降低了 90.8%。在纯铝中添加AlSiTiCrNiCu高熵合金后,析出了多相金属间化合物(Al3Ti,Al70Cr20Ni10,AlTiCrSi,Al2Cu 和 Al7Cu4Ni),其中 Al3Ti,Al70Cr20Ni10和AlTiCrSi分布在基体上,而Al2Cu和Al7Cu4Ni存在于α-Al枝晶中,α-Al的晶粒尺寸也明显减小。随着高熵合金添加量的增加,金属间化合物的体积分数增加,α-Al的晶粒尺寸也逐渐降低。而铝基复合材料的抗压强度与高熵合金添加量呈现正相关,压缩率呈现负相关。当添加量达到20.0wt.%后,压缩强度达到530MPa,同时还保持着良好的压缩率(大于25%)。干滑动摩擦实验表明,铝基复合材料的摩擦系数和磨损率都会随高熵合金添加量的增加而降低。当AlSiTiCrNiCu高熵合金的添加量为20.0wt.%时,摩擦系数从纯铝的2.51降低到0.66,降低了 73.7%,磨损率从4.86×10-13m3N-1m-1降至0.46×10-13m3N-1m-1降低了 90.5%。添加AlCoCrF eNi高熵合金到6061铝合金后,在基体上析出了团絮状的五元金属间化合物AlCoCrFeNi和长条状以及块状的四元金属间化合物AlCoNiFe。并且随高熵合金添加量的增加金属间化合物的数量不断增加。力学实验表明铝基复合材料的压缩性能随高熵合金的添加明显改善,在保持较好的压缩率的同时抗压强度不断增加。铝基复合材料的干滑动摩擦系数和磨损率也随高熵合金添加量的增加而降低,当高熵合金的添加量在15.0wt.%时,摩擦系数从1.78降至0.62,磨损率从2.56×10-13m3N-1m-1 降至 6.4×10-14m3N-1m-1。
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