【摘 要】
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颗粒增强铝基复合材料具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀性好和制备工艺简单等特性,因而在航空航天、电子封装和轨道交通等领域有着广泛的应用。高熵合金不但拥有高强度、高硬度和良好热稳定性等优点,而且与铝合金基体润湿性良好,作为增强体可以显著提升铝基复合材料的综合力学性能。所以近年来,高熵合金颗粒增强铝基复合材料引起了越来越多研究学者的关注。本文采用机械合金化法与放电等离子烧结工艺制备了Al50-xTixCr
【基金项目】
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广东省自然科学基金(2018A030313486); 佛山市核心技术攻关项目(1920001000412); 广东省科技计划项目(2020B121202002); 广东省重点领域研发计划(2020B010186001)
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颗粒增强铝基复合材料具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀性好和制备工艺简单等特性,因而在航空航天、电子封装和轨道交通等领域有着广泛的应用。高熵合金不但拥有高强度、高硬度和良好热稳定性等优点,而且与铝合金基体润湿性良好,作为增强体可以显著提升铝基复合材料的综合力学性能。所以近年来,高熵合金颗粒增强铝基复合材料引起了越来越多研究学者的关注。本文采用机械合金化法与放电等离子烧结工艺制备了Al50-xTixCr20Mn20Cu10(x=10,15)系轻质高熵合金粉末和块体材料,分析了两种轻质高熵合金的显微组织和力学性能。随后采用优选的Al35Ti15Cr20Mn20Cu10高熵合金粉末作为增强体,以6061Al为基体,采用放电等离子烧结工艺制备了(Al35Ti15Cr20Mn20Cu10)p/6061Al复合材料。探索了烧结温度对复合材料力学性能和显微组织的影响,重点研究了增强体体积分数和应变率对复合材料的准静态和动态压缩力学性能的影响。全文结论如下:(1)采用机械合金化法制备的Al50-xTixCr20Mn20Cu10(x=10,15)系轻质高熵合金粉末均为单相过饱和BCC结构。其中,Al35Ti15Cr20Mn20Cu10轻质高熵合金粉末的平均粒径为12.04μm,晶粒尺寸为22 nm。烧结后的Al35Ti15Cr20Mn20Cu10高熵合金块体材料由单相过饱和BCC结构转变为BCC+FCC+Ti(Cu,Al)2三相结构。该高熵合金密度为5.31 g/cm~3;屈服强度、压缩强度和显微维氏硬度分别为1892 MPa、2118 MPa和875 HV;该高熵合金的比强度达到399 MPa·cm~3·g-1。(2)烧结温度对5 vol.%Al35Ti15Cr20Mn20Cu10/6061Al复合材料基体与增强体之间的界面结合状态产生了明显的影响。当烧结温度为520℃时,复合材料基体与增强体之间未产生扩散层。当烧结温度升高到540℃,基体与增强体之间出现厚度约0.6μm的扩散层,界面结合以扩散结合为主。当烧结温度进一步升高到560℃后,由于局部液相的出现,扩散层附近产生了明显的孔隙。复合材料在烧结温度为540℃时具有最优的界面结合状态及综合力学性能,此时复合材料的布氏硬度、抗拉强度和屈服强度分别为93.2 HB、280 MPa和194 MPa。分析认为,由于扩散层可以将外加载荷从基体传递到增强体,起到了桥梁作用,同时Al35Ti15Cr20Mn20Cu10高熵合金增强体的引入会引起位错密度增加和晶粒细化,在这些效应的协同作用下复合材料的强度出现明显提升。(3)烧结温度540℃时,体积分数为5%、10%和15%的(Al35Ti15Cr20Mn20Cu10)p/6061Al复合材料的准静态压缩屈服强度分别为194 MPa、289 MPa和435 MPa,接近于混合定律Iso-strain模型的计算值。当体积分数为5%和10%时,复合材料还表现出良好的塑性,其压缩率分别为33%和25%。随着体积分数增加到15%,由于增强体出现团聚导致复合材料的塑性急剧下降,压缩率为8%。(4)动态压缩时,体积分数为5%和10%的(Al35Ti15Cr20Mn20Cu10)p/6061Al复合材料的屈服强度相较于准静态压缩有不同程度的提升。增强体的引入使得复合材料的应变率敏感性明显上升,其中10 vol.%Al35Ti15Cr20Mn20Cu10/6061Al复合材料的应变率敏感系数达到0.2,约为6061Al基体的4倍。分析认为,当应变率低于2700 s-1时,应变率硬化效应起主导作用,两种复合材料的流动应力随应变率的升高而增加。而在应变率超过3000 s-1后,绝热软化作用更加明显,两种复合材料的流动应力出现了一定程度的下降。复合材料的动态压缩失效分析表明,应变率小于2000 s-1时,复合材料试样在动态压缩过程中不断被镦粗,但表面并未出现裂纹。随着应变率进一步升高,10 vol.%Al35Ti15Cr20Mn20Cu10/6061Al复合材料出现了从边缘向中心扩展的裂纹,并且在裂纹附近有大量Al35Ti15Cr20Mn20Cu10高熵合金增强体和扩散层发生破裂。当应变率超过3000 s-1后,复合材料试样边缘出现了断裂现象。
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