【摘 要】
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颗粒增强铝基复合材料综合力学性能优异,成本易于控制,在各领域有着广泛的应用前景。新兴金属材料高熵合金有着接近陶瓷颗粒的强度和硬度,同时具有良好的塑韧性,且与铝基体之间有着“金属-金属”天然的优良结合特性,利用高熵合金作为增强体来强化铝基复合材料具有很大的发展潜力。然而,目前采用高熵合金颗粒作为增强体制备高强韧的铝基复合材料的研究,尤其是在非常规微波加热作用下界面特征的研究还相对甚少。本文采用机械合
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颗粒增强铝基复合材料综合力学性能优异,成本易于控制,在各领域有着广泛的应用前景。新兴金属材料高熵合金有着接近陶瓷颗粒的强度和硬度,同时具有良好的塑韧性,且与铝基体之间有着“金属-金属”天然的优良结合特性,利用高熵合金作为增强体来强化铝基复合材料具有很大的发展潜力。然而,目前采用高熵合金颗粒作为增强体制备高强韧的铝基复合材料的研究,尤其是在非常规微波加热作用下界面特征的研究还相对甚少。本文采用机械合金化和微波双相辅助快速烧结相结合的方法,制备了FeCoNixCrCu(x=1.0,1.25,1.50,1.75)系高熵合金粉末及FeCoNixCrCu/Al复合材料。系统研究了微波烧结温度对复合材料微观组织,特别是界面结构的影响规律,探讨了界面在微波作用下的形成机制。重点探究了制备工艺参数与界面特征、界面微区力学性能及宏观力学性能之间的影响规律。主要结论如下:(1)提高铁磁性FeCoNiCrCu合金体系中Ni元素含量到1.5摩尔比时,合金粉末在2.45 GHz频率下具有最高的平均反射损耗,达到-1.3507 d B。基于FeCoNi1.5CrCu粉末优秀的微波损耗特性,使得复合材料粉体拥有更好的微波吸收和转化能力,从而提升烧结效率,实现低温烧结复合材料更高的致密度和界面强度。同时,Ni元素含量提升加剧了高熵合金晶格畸变,增强了固溶强化作用。(2)随微波烧结温度的升高,元素扩散加剧,复合材料界面出现了BCC固溶体结构的界面扩散层,形成了与基体的半共格关系,促进复合材料界面以机械结合向扩散结合的转变。烧结温度为480℃时,得益于半共格界面关系导致的强界面结合,界面纳米硬度达到658.9 MPa,弹性模量达到66.556 GPa。当烧结温度高于500℃时,界面过渡区厚度不断增大,为降低体系自由能和界面能,析出Al-Cr、Al-Cu等金属间化合物,且强化颗粒趋于团聚,此时界面弹性模量仅为52.698 GPa。(3)随烧结温度升高,复合材料致密度不断提升、界面结合性能逐渐改善,导致其屈服强度(YS)和压缩强度(UCS)也随之提升,在500℃时分别达到峰值的~348.89 MPa和~458.35 MPa。此后,颗粒团聚、界面结合遭到脆性相破坏,YS和UCS随温度的升高而下降。材料的压缩率随着烧结温度的升高不断下降,特别是480℃→500℃的过程中,压缩率从~38.7%急剧下降到~15.1%。因此,480℃为材料的理想烧结温度,可实现强韧塑性同步提升的目的。(4)烧结温度为460℃时,材料在载荷作用下出现界面脱粘失效;烧结温度为480℃时,界面结合状态明显改善,在材料受力变形过程中有效地传递了载荷,断口形貌显示出韧性断裂;烧结温度为500℃及以上时,材料显示出脆性断裂特征,强化颗粒的团聚区易出现应力集中萌生裂纹。480℃烧结的FeCoNi1.5CrCu/Al复合材料的强化机制主要为界面强化以及形成强界面结合导致的热错配强化和载荷传递强化。
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