石墨烯/CrMnFeCoNi高熵合金复合材料组织及性能研究

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随着科学技术的快速发展,单一的金属或非金属材料往往难以满足实际生产的需求,开发复合材料成为一个富有潜力的材料开发方向。石墨烯作为增强相已广泛应用于制备Cu基、Mg基等复合材料,但是关于石墨烯/高熵合金复合材料的研究鲜有报道。本文选用多层石墨烯和雾化制备的CrMnFeCoNi高熵合金粉末为原料,采用机械球磨和放电等离子烧结(SPS)制备了CrMnFeCoNi高熵合金和石墨烯含量分别为0.2wt.%、0.4 wt.%、0.6 wt.%和0.8 wt.%的石墨烯/高熵合金复合材料。研究了制备过程中CrMnFeCoNi高熵合金和石墨烯的组织转变以及石墨烯对复合材料组织及力学、摩擦磨损和阻尼性能的影响。CrMnFeCoNi高熵合金粉末在机械球磨过程中发生变形,而多层石墨烯在球磨和烧结后完整度提高且层数降低。制备过程中CrMnFeCoNi高熵合金没有发生相变,烧结后仍为面心立方结构(FCC)固溶体,在烧结体的原始合金粉末边界形成了氧化物。加入石墨烯后,CrMnFeCoNi高熵合金基体中形成了富Cr的M23C6型碳化物,复合材料的组织由FCC结构固溶体基体、富Cr的M23C6型碳化物和分布于烧结体原始颗粒边界的石墨烯和氧化物组成。烧结的CrMnFeCoNi高熵合金和复合材料均具有很好的致密性,石墨烯的加入略微降低了其密度而显著提高了其显微硬度。CrMnFeCoNi高熵合金硬度为226.4 HV,加入0.8 wt.%石墨烯后的复合材料相比于CrMnFeCoNi高熵合金硬度提高了104 HV,达到330.4 HV。石墨烯对复合材料的强度有显著提升,压缩强度和拉伸强度最高分别达到了2210 MPa和762 MPa,同时,它们都有有较好的延展性。拉伸过程中CrMnFeCoNi高熵合金和复合材料均同时发生脆性和韧性断裂。石墨烯的加入有助于合金基体硬度提升以及磨损表面氧化层形成,从而降低复合材料的摩擦系数。载荷较小时(5 N),石墨烯/CrMnFeCoNi高熵合金复合材料的磨损量相比于CrMnFeCoNi高熵合金有所降低。载荷较大时(10 N、15 N),复合材料的磨损量相比于高熵合金基体增加,在石墨烯添加量为0.8 wt.%时才开始降低。CrMnFeCoNi高熵合金在试验中主要发生磨粒磨损、氧化磨损和剥层磨损。石墨烯/CrMnFeCoNi高熵合金复合材料在低载荷下主要发生磨粒磨损和氧化磨损,载荷升高后还发生剥层磨损。CrMnFeCoNi高熵合金和石墨烯/CrMnFeCoNi复合材料均具有优异的阻尼性能。CrMnFeCoNi高熵合金的最大内耗值Q-1max达到0.073。加入石墨烯的复合材料阻尼性能相比于CrMnFeCoNi高熵合金有所降低,其Q-1max随着石墨烯的含量增加先增加后降低,最大Q-1max为0.067。这是由于石墨烯的加入使材料中的阻尼机制改变导致的。
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