高熵合金颗粒增强铜基复合材料的梯度层界面设计与强韧化机理研究

Compared with reinforcement of ceramic, AlCoCrFeNi high-entropy alloys have higher toughness, conductivity and better compatibility with copper matrix, meanwhile adequate strength, wear resistance, and thermal stability. This proposal aims to synthesis high-entropy alloy particles reinforced copper matrix composites with designed gradient-layer interface by using multistep mechanical alloying and vacuum hot pressing. In order to solve the problem of stress concentration in the interface, high-entropy alloy particles with gradient-layer structure are manufactured by controlling the added order of elements and parameters of multistep ball-milling, utilizing the adjustability of alloying of constituent elements during the process of ball-milling. In order to realize the controllability of structure, component and thickness of interface, this work will establish the relationship between gradient of microstructure and component in the interface and sintering process and transition layer element. The influence of reinforcement volume fraction and gradient structure of interface on mechanical properties and physical properties should be investigated. Through the analysis of fracture surface, crack initiation and propagation, failure mode of worn, this work will reveal the strength and toughness mechanism of gradient-layer interface structure.

和陶瓷增强相比较，AlCoCrFeNi系高熵合金具有更高的韧性、导电性，且保持了足够的强度、耐磨性和热稳定性，与铜基体间的匹配性更好。本项目采用多步机械合金化和真空热压烧结制备具有梯度层界面结构的高熵合金颗粒增强铜基复合材料。充分利用了球磨过程中元素合金化可调节的特征，通过控制元素添加顺序并调整多步球磨参数，设计了具有梯度层结构的高熵合金颗粒，以此解决增强相和基体界面处的应力集中问题。通过建立界面处组织结构、成分梯度与烧结工艺、过渡层元素的关系，实现界面结构、成分和厚度的可控制性。深入研究高熵合金颗粒增强铜基复合材料的物理性能、力学性能和增强相体积分数、梯度层界面结构之间的内在联系，并分析断口特征、裂纹萌生与扩展特征、磨损失效方式，揭示梯度层界面结构的强韧化机理。

高熵合金以其独特的成分、微观结构、可调节的属性引起了人们的广泛关注。本项目采用机械合金化和烧结工艺制备了具有过渡层结构的高熵合金颗粒增强铜基复合材料，阐明了多步机械合金化过程中，元素固溶速率随球磨转速、球磨时间的变化规律，建立了复合材料性能和梯度层界面结构之间的内在关系。通过多步球磨得到的过渡层界面结构，改变了元素的扩散行为以及材料的磨损行为。由于铜过渡层结构，镍、钴和铁元素的扩散速率增大，特别是镍元素的扩散速率增大；更多的铬元素扩散到界面中，形成复杂的氧化物。HEA/M/Cu复合材料的耐磨性优于HEA/Cu复合材料，这是由于界面结合强度的提高和基体硬度的提高。开发新型的高熵合金增强颗粒，需要建立高熵合金原子配比与自身属性之间的关联。系统研究了合金构成元素（Co、Cr、W等）对于固溶强化效果、相稳定性、力学性能及塑性变形机制的影响规律。W元素的添加显著阻碍了CoCrNi合金的再结晶过程，晶粒长大激活能增加到393.3kJ/mol，固溶强化和晶界强化是合金屈服强度提高的主要因素。通过提高CoCrFeNi体系中的Co含量，晶格参数减小，发现合金的强度和塑性均有提升，这是由于Co含量增加时合金固溶强化效果加强，并且层错能的降低使得拉伸变形时TWIP效应更显著。Cr元素在高熵合金中具有好的固溶强化效果，但是随着Cr元素含量的增加，容易在晶界处析出脆性的σ相，通过价电子浓度来控制σ相的析出取得好的效果。相关研究为高熵合金的成分设计提供了理论依据，为制备性能良好的高熵合金增强铜基复合材料提供了理论基础。.在本项目执行期间，以第一作者或通讯作者共发表SCI论文10篇，包括Scripta Materialia, Materials Science & Engineering A, Journal of Materials Science & Technology, Trans. Nonferrous Met. Soc. China等期刊，其中中科院大类一区/二区论文8篇。上述论文全部标注基金资助号51701061。共参加国内外学术会议4次，口头报告1次。申请发明专利2项，且已授权。协助培养博士生1名，硕士生3名。