选区激光熔化成型石墨烯/Al1.8CrCuFeNi2复合材料组织及性能研究

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高熵合金具有高硬度、良好的耐磨性能等优点,但其强塑性仍然较低,这限制了其广泛应用。为了提升高熵合金的强塑性,本文选取Al1.8CrCuFeNi2高熵合金为研究对象,向高熵合金粉末中添加不同含量的纳米石墨烯(GNP,简称石墨烯),采用选区激光熔化(SLM)技术制备GNP/Al1.8CrCuFeNi2复合材料,研究不同含量(0.2wt.%、0.4wt.%、0.6wt.%、0.8wt.%)石墨烯对Al1.8CrCuFeNi2高熵合金组织结构和力学性能的影响。另外,进一步探索退火处理对Al1.8CrCuFeNi2高熵合金和0.4wt.%GNP/Al1.8CrCuFeNi2复合材料的性能影响。首先,研究了不同含量石墨烯对复合材料的相结构、密度、显微组织和晶体织构的影响。X射线衍射表明,高熵合金和四种石墨烯含量的GNP/Al1.8CrCuFeNi2复合材料的相结构都是BCC固溶体结构。随石墨烯含量的增加,复合材料的密度不断降低。显微组织分析表明,高熵合金和复合材料均为柱状晶粒。EBSD测试结果显示,添加石墨烯后,复合材料的晶粒取向发生了变化,从(001)演化为(101)和(111),晶粒细化。横截面上,0.4wt.%GNP/Al1.8CrCuFeNi2复合材料的平均晶粒尺寸与Al1.8CrCuFeNi2高熵合金相比减小了21.1%,0.8wt.%GNP/Al1.8CrCuFeNi2复合材料的平均晶粒尺寸减小了30.3%,纵截面上,GNP/Al1.8CrCuFeNi2复合材料晶粒同样细化明显。其次,进一步研究了不同含量石墨烯对复合材料的硬度、压缩和耐磨性能的影响。随石墨烯含量的增加,复合材料的硬度逐渐升高,0.8wt.%GNP/Al1.8CrCuFeNi2复合材料的硬度最大,较Al1.8CrCuFeNi2高熵合金分别提高23.2%(横截面)、24.1%(纵截面)。压缩强度和塑性提高,与Al1.8CrCuFeNi2高熵合金相比,0.4wt.%GNP/Al1.8CrCuFeNi2复合材料的压缩强度和压缩应变分别提升46.2%、22.6%。随着石墨烯含量的增加,复合材料的耐耐磨性能逐渐升高,0.8wt.%GNP/Al1.8CrCuFeNi2复合材料的耐磨性能最优,磨损失重相较于Al1.8CrCuFeNi2高熵合金分别降低30.5%(横截面)、39.5%(纵截面)。石墨烯的添加提升了复合材料的硬度、强度及耐磨性能,此结果与石墨烯的添加产生细晶强化、固溶强化和位错强化有直接关系。最后,研究了退火处理(分别在600℃、800℃、1000℃保温3 h,随炉冷却)对Al1.8CrCuFeNi2高熵合金以及0.4wt.%GNP/Al1.8CrCuFeNi2复合材料的显微组织、压缩性能、硬度和耐磨性能的影响。X射线衍射表明,退火前合金内部存在残余应力,退火处理后释放了残余应力。随退火温度的升高,合金的强度和塑性大幅提升。相同的退火温度下,复合材料的耐磨性能比高熵合金的耐磨性能更为优良,摩擦过程中,石墨烯起到了润滑效果,降低了退火复合材料的受损程度,提高其耐磨性能。
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