高熵合金颗粒增强型铝基复合材料的制备和研究

The application of the conventional particle reinforced aluminum matrix composites (AMCs) is greatly limited because there is a sharp decline in ductility and toughness as strength and modulus increases. To solve this problem, a new type of AMCs is presented, which is reinforced by High Entropy Alloys (HEAs). Firstly, the effect of Mg, Mn, V on the microstruture and property of AlCoCrFeNiTi0.5 high entropy alloy is investigated and reinforcing particle with high strength and ductility is prepared by spay casting. Secondly, the HEAs particle reinforced AMCs is prepared by powder metallurgy and the effect of the sintering parameters on the microstructure and properties of the composites is investigated. Finally, the deformation and fracture character of the composites is researched and the strengthening and toughening mechanism is revealed. The results of this proposal will provides theoretical basis and practical approach for designing and fabricating new types of high performance aluminum matrix composites.

传统的颗粒增强型铝基复合材料在提高强度和弹性模量的同时，极大地牺牲了塑性和韧性，因此很大程度上限制了它的应用。为了解决这个问题，本项目提出了一种新型的铝基复合材料-高熵合金增强型铝基复合材料。本项目首先研究了合金元素（Mg、Mn、V）对AlCoCrFeNiTi0.5 高熵合金的组织和性能的影响，并利用喷铸法获得综合性能优良的AlCoCrFeNiTi0.5MgxMnyVz 增强颗粒；然后研究粉末冶金制备工艺参数对复合材料的组织和性能的影响，并获得组织致密、增强体分布均匀的复合材料；最后研究复合材料形变和断裂特征，揭示高熵合金增强型铝基复合材料的强韧化机理，为新型的高熵合金增强型铝基复合材料的设计和制备提供理论依据和使用途径。

传统的铝基复合材料以陶瓷或者金属间化合物作为增强体，在提高强度和弹性模量的同时，极大地牺牲了塑性和韧性，因此在很大程度上限制了它的应用。为了解决这个问题，本项目提出了一种新型的铝基复合材料-高熵合金增强型铝基复合材料。本项目首先通过调节微量元素（Mg、La、Re、Ti）的含量，制备了综合性能优良的高熵合金增强体；然后，采用SPS工艺制备了高熵合金增强型铝基复合材料，并在此基础上研究了复合材料的力学性能及其断裂机理。结果表明：（a）向合金中添加微量的Re元素，可以对合金的组织和性能进行调控。Re元素富集在通过提高高熵合金中初生相的熔点，使得共晶点发生偏移，增加了凝固组织中初生相的比例，当Re元素的添加量达到0.01wt％的添加量不断增多，凝固组织中的初生相的比例越来越多(～％32％)。同时，微量的Re可以细化富FeCoCr初生相和富NiAl增强相之间的片层间距，减小弥散分布的富NiAl增强相的尺寸，提高合金的拉伸强度；（b）SPS烧结温度对复合材料的结合面有着重要的影响。随着烧结温度的提高，结合面处的过渡层逐渐增厚，复合材料的抗拉强度和工程应变逐渐增强，570°烧结温度下获得的复合材料抗拉强度和工程应变分别达到370MPa和37％。但是烧结温度太高，会在过渡层内生成的大量的FeAl金属间化合物，这些金属间化合物会作为裂纹萌生的起点降低复合材料的力学性能；综上所述：本项目首次提出并制备了高熵合金增强型铝基复合材料，丰富了铝基复合材料的类型，有利于其更广泛地应用。