微波辅助烧结铁磁性FeCoNi1.5CrCup/Al复合材料的微观组织与性能研究

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高熵合金颗粒增强铝基复合材料是一种新型复合材料,在减少材料用量的同时能够提高材料的综合性能。本文以机械合金化制备的高熵合金FeCoNi1.5CrCu颗粒和Al粉为原料,采用粉末冶金+微波双向辅助烧结法制备了FeCoNi1.5CrCup/Al复合材料,分别研究了金属粉末的粒度与形貌对微波烧结致密化进程的影响,并利用TEM、SEM、EDS、XRD、纳米压痕、显微硬度及压缩性能等分析方法,将微波烧结温度及高熵合金FeCoNi1.5CrCu颗粒加入量对复合材料的微观结构、物相演变和力学性能的影响进行了表征,表征结果如下:(1)球磨参数优化后,纯Al粉球磨后形貌呈片状,随着比表面积的增加粉末活性增大;球磨后颗粒厚度小于5μm,接近金属的微波趋肤深度,对应的涡流加热分数为96.8%;较小粒度的纯Al粉末升温速率较快,相同时间能达到较高的烧结温度。机械合金化后的FeCoNi1.5CrCu高熵合金具有FCC结构,粒径小于3μm,混粉后均匀分布在纯铝颗粒周围。当高熵合金颗粒加入量由20 wt.%增加到60 wt.%时,粉末压坯的矫顽力由大约23 Oe增加到接近98 Oe,继而磁滞损耗相应增加,提高了粉末压坯总体的微波损耗,有利于复合粉末微波烧结致密化过程。(2)研究了不同微波烧结温度对复合材料微观组织及力学性能的影响,此时设定增强体添加量为14 wt.%。通过SEM、XRD及TEM发现,随着微波烧结温度升高,复合材料致密度提高,增强体颗粒分布更加均匀,480℃时复合材料组织最佳;但当温度到500℃时颗粒开始聚集,温度520℃时EDS发现颗粒与基体元素相互扩散严重,高熵合金结构稳定性变差由FCC结构向FCC+BCC结构转变,复合材料基体和界面处出现硬脆性Al5Cr8等金属间化合物。纳米压痕检测发现480℃时增强体颗粒与基体结合强度最佳,界面显微硬度和弹性模量分别达到1245.3 MPa和66.45 GPa;此时复合材料的致密度和硬度达到99.2%和138.5HV,均处于较高水平。另外,480℃时复合材料压缩强度为405.2 MPa,屈服强度为276.7 MPa,最大压缩率为65.5%,具有较好的强度和韧性。(3)研究了FeCoNi1.5CrCu颗粒添加量对FeCoNi1.5CrCup/Al复合材料的微观组织及力学性能影响,此时设定微波烧结温度为480℃。随着增强体添加量增加材料微观组织的致密性提高,当增强体添加量为15 wt.%时,复合材料的微观组织最佳,界面处孔隙最少,增强相分布相对均匀,复合材料仅存在Al和FeCoNi1.5CrCu晶相,保证了界面洁净;另外,此时复合材料界面处的纳米硬度为1286.36 MPa,弹性模量为69.53 GPa,实现较高强度的界面结合。当增强体添加量为优化值15 wt.%时,复合材料硬度达到146.3 HV,致密度达到99.3%,超过20 wt.%时致密度逐渐下降;当增强体添加量为15 wt.%时,材料屈服强度较高达到287.6 MPa,抗压强度达到418.8 MPa,同时材料的最大压缩率达到65.2%,复合材料的强度和韧性综合达到较高水平。
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