FeCoNi1.5CrCu高熵合金颗粒增强2024Al铝基复合材料的制备加工及组织性能研究

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本文采用机械球磨工艺制备了FeCoNi1.5Cr Cu高熵合金(High Entropy Alloy,HEA),并通过微波烧结工艺制备了15wt.%FeCoNi1.5Cr Cu/2024Al颗粒增强铝基复合材料。研究了微波烧结参数对FeCoNi1.5Cr Cu/2024Al复合材料微观组织及力学性能影响,优化出了最优微波烧结参数。再以最佳烧结参数制备出的FeCoNi1.5Cr Cu/2024Al复合材料作为轧制母材,研究了热轧参数对复合材料组织与性能影响。通过SEM、EDS、TEM、XRD、阿基米德原理等检测方法分析了复合材料的微观组织、物相、致密度及元素分布特征,揭示了高熵合金颗粒增强铝基复合材料的微波烧结机理和轧制加工对复合材料微观组织影响的作用机制。通过纳米压痕、显微硬度、压缩及拉伸电子万能试验机等检测手段研究了微波烧结和轧制态复合材料的微观力学性能和宏观力学性能,分析了微区微纳力学性能与微观结构和宏观力学性能的内在联系,特别关注了颗粒/基体界面结合对组织性能的影响。主要研究结果如下:(1)研究了不同微波烧结时间时FeCoNi1.5Cr Cu/2024Al复合材料的微观组织,结果发现:设定烧结温度为460℃,随着烧结时间(20、30、40、50、60,min)的延长,FeCoNi1.5Cr Cu高熵合金颗粒在2024Al基体中先均匀化分布后发生团聚。在最佳烧结时间40 min时,高熵合金颗粒分布均匀,颗粒平均尺寸最小,仅为2.92μm。且此时HEA颗粒与基体之间存在互扩散(ID)层,高密度位错围绕HEA/2024Al复合材料的界面,宽度为80~120nm。HEA增强颗粒和基体具有较好的界面润湿性和界面相容性,有助于提高复合材料的强度和韧性。(2)研究了不同微波烧结时间时FeCoNi1.5Cr Cu/2024Al复合材料的微纳力学性能和宏观力学性能:对于优化的40min烧结复合材料,其抗压强度、屈服强度和显微硬度分别达到最大值为248.7 MPa,227.4 MPa和93.1 HV。微纳力学性能表明该复合材料中的HEA颗粒具有最高的硬度和弹性模量,分别为3893.2MPa和100.82 GPa。因此,FeCoNi1.5Cr Cu高熵合金颗粒作为2024铝基复合材料的增强体能起到较好承载主要应力的作用;且此时复合材料的界面硬度和弹性模量分别为1331.1 MPa和47.544 GPa,达到最佳状态,这对有效载荷从基体到增强材料的传递起着重要作用。(3)以优化烧结参数制备的FeCoNi1.5Cr Cu/2024Al复合材料作为母材,研究不同轧制变形量对复合材料微观组织的影响,结果发现:母材在轧制温度为470℃时与轧制变形量为62.5%时,增强相颗粒细化效果明显,沿着轧制方向颗粒在基体中均匀分布,大尺寸增强相颗粒已基本消失,改善了增强体的分散性与定向性,呈现出较优的轧制组织结构特征。当轧制变形量沿25%→37.5%→50%→62.5%→75%变化时,基体2024铝合金晶粒主要沿着(111)、(200)和(220)晶面进行择优取向,HEA晶面的衍射峰强呈现出先增大后减小的变化趋势,在62.5%变形量时达到最大值;其他(311)、(322)晶面衍射峰强度相对也较高,随轧制变形量增大而持续增大,存在一定的择优取向。(4)进一步研究轧制变形量对复合材料微纳力学性能与宏观力学性能的影响,结果发现:随着轧制变形量的增加,热轧态复合材料的抗拉强度呈现先极大提高后缓慢提高趋势,延伸率呈现出先极速降低后缓慢降低的特征。最佳轧制变形量62.5%时热轧态复合材料的抗拉强度和延伸率分别为173.54MPa与12.93%。微纳力学性能表明热轧对复合材料基体、增强体、界面的微纳硬度和弹性模量都有着显著提高的作用。最优轧制参数时,基体的硬度和弹性模量分别达到了911.18 MPa和94.29 GPa,较母材同比增长39.4%和77.6%,表明轧制对基体2024铝合金力学性能提升效果显著。界面处的微纳硬度达到1715MPa,较母材对应值1331.1 MPa同比增加28.8%,表明轧制对复合材料的界面起到了加强作用,有助于发挥界面强化效果。高熵合金颗粒最大微纳硬度和弹性模量值分别达到了6356.1 MPa和174.81 GPa,进一步强化了承载主应力的能力。
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