高熵合金/SiC颗粒增强铝基复合材料的组织调控及强韧化机制

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中、高体积分数的Si C颗粒增强铝基复合材料具有尺寸稳定性好、高比强度、高比刚度和耐磨等特性,在国防装备、航天航空及精密仪器等领域应用广泛。但由于Si C颗粒与铝基体的化学和物理性质差异大,造成此类复合材料的界面结合弱、塑性低和加工难等问题。合理地选择增强体并获得理想的界面结合是提升复合材料综合性能的重要途径。高熵合金(High-entopy alloys,HEA)因其优异的力学性能,且能与金属基体形成良好的界面结合形式,成为理想的增强体候选材料。本文以纳米晶高熵合金(Nanocrystalline high-entopy alloys,NHEA)颗粒作为铝基复合材料新型增强体为研究重点。首先研究HEA颗粒类型、体积分数、界面厚度和颗粒分布等方面对铝基复合材料的组织与力学性能的影响,制备出高性能的NHEA颗粒增强铝基复合材料,并阐明NHEA颗粒增强铝基复合材料的强韧化机制;在此基础上,对比研究NHEA颗粒与Si C颗粒对复合材料性能的影响,并制备出NHEA和Si C颗粒混杂增强的铝基复合材料。主要研究结果如下:(1)对粉末冶金制备得到的不同高熵合金颗粒类型(雾化粉末与球磨粉末)、不同颗粒体积分数(0~30%)、不同界面厚度(100 nm~1μm)的HEA颗粒增强2024铝基复合材料进行了力学性能对比。结果表明,当颗粒体积分数不超过15%时,界面厚度为~100 nm的NHEA颗粒增强铝基复合材料具有更好的力学性能。其中,当颗粒体积分数为7.5%时,复合材料的拉伸屈服强度为419 MPa,断裂应变为8.0%,优于目前已报道的HEA颗粒增强铝基复合材料的力学性能。(2)通过调控球磨时间,辅以热压和热挤压工艺,在复合材料内构筑出三种典型的NHEA颗粒分布:颗粒团聚型、均匀分布型和带状组织型。研究发现,颗粒团聚型复合材料的力学性能最差;均匀分布型复合材料的断裂应变(7.1%)最佳;含有高比例(45vol.%)带状组织的复合材料具有最佳的拉伸屈服强度(464.9 MPa),但其断裂应变较低(2.2%),而含有适当比例(19 vol.%)带状组织的复合材料则兼具优异的屈服强度(445.2MPa)与断裂应变(5.4%)。因此,通过调节颗粒分布和带状组织的比例可实现对NHEA颗粒增强复合材料强度和塑性的调控。(3)增强体与基体界面附近的微区是SiC颗粒增强复合材料和NHEA颗粒增强2024铝复合材料屈服强度和塑性存在差异的主要原因。由于Si C/Al界面处有更高密度的热错配位错,Si C颗粒比NHEA颗粒具有更好的强化效果。NHEA颗粒增强复合材料比Si C颗粒增强复合材料具有更好的塑性,归因于高强韧的NHEA颗粒和NHEA颗粒与基体的低错配度界面对裂纹扩展产生的钝化作用(提高了复合材料的损伤容限)。此外,NHEA颗粒增强复合材料比SiC颗粒增强复合材料具有更好的可加工性。(4)通过优化组元(基体和增强体组合)和固溶时间(1~4 h),研制出高强耐磨的NHEA颗粒和Si C颗粒混杂增强7075铝基复合材料。对比相同颗粒体积分数(45 vol.%)的Si C颗粒增强7075铝基复合材料,混杂增强复合材料表现出更好的抗拉强度(712 MPa)、塑性和耐磨性。围绕NHEA颗粒形成了低位错密度的塑性微区,显著地降低了附近Si C颗粒的破裂概率,提高了复合材料的强度,是复合材料强度和耐磨性提高的原因。NHEA颗粒对裂纹扩展的阻碍作用,提高了断裂吸收功,是复合材料塑性提高主要原因。
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