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AlCoCrFeNi高熵合金颗粒增强Al基复合材料制备及界面行为研究

杨潇  
【摘要】:传统陶瓷颗粒增强Al基复合材料存在颗粒-基体界面润湿性差、界面结合强度低及颗粒与基体塑性变形协调能力差等问题,导致陶瓷颗粒在提高材料强度的同时严重恶化了材料的塑性。高熵合金(HEA)颗粒与Al基体良好的界面润湿性以及高强度、高硬度和良好的热稳定性展现出其作为一种新型强化相的巨大潜力。论文提出以Al Co Cr Fe Ni HEA颗粒为强化相、5083Al合金为基体,利用放电等离子烧结技术(SPS)和水下/搅拌摩擦加工技术(SFSP,FSP)制备了HEA/Al复合材料。研究成果拓宽了Al基复合材料的强韧化途径,为HEA/Al复合材料的进一步发展提供了理论支撑。采用ABAQUS有限元分析的方法建立了不同HEA颗粒尺寸、形状和界面结合强度的HEA/Al复合材料的拉伸力学模型;揭示了颗粒尺寸、形状、界面强度、界面损伤行为和力学性能的关系;研究了放电等离子烧结技术制备的SPSed HEA/Al复合材料中,HEA-Al界面结构、界面微区微-纳力学性能、界面应力分布特征和力学性能,揭示了SPSed HEA/Al复合材料的断裂失效机制。探究了水下/搅拌摩擦加工制备的SFSPed/FSPed HEA/Al复合材料的晶粒细化机制、再结晶行为、界面连接机制和强化机理。ABAQUS数值模拟结果表明:对于立方形和球形颗粒增强复合材料,小颗粒展现出更高的强化效果,并且随着界面结合强度的下降,复合材料的强度和塑性对颗粒尺寸的变化越来越敏感。在理想界面条件下,球形颗粒的强化效果低于立方形颗粒,但在强界面和弱界面条件下,球形颗粒增强复合材料展现出更高的强度和延伸率;在相同情况下,界面损伤优先发生在立方形颗粒增强复合材料中,并且具有更快的扩展速率。SPSed HEA/Al复合材料的微观组织表征及力学性能测试结果表明:HEA-Al界面反应剧烈,形成了厚度约为10μm的反应层;界面反应产物为Al_(13)(Co Cr Fe Ni)_4、Al_9(Co Fe Ni Mg)_2和Al_(18)Cr_2Mg_3;10 vol.%HEA/Al复合材料内部的平均晶粒尺寸为4.73μm,大角度晶界比例为84%,再结晶晶粒的比例为78.9%。HEA颗粒的添加提高了材料的屈服强度,降低了材料的抗拉强度和延伸率。HEA-Al界面断裂发生在界面反应层的近HEA颗粒侧,为脆性断裂。SPSed HEA/Al复合材料的界面微区微-纳力学性能测试和ABAQUS数值模拟分析结果表明:SPSed HEA/Al复合材料中反应层近HEA颗粒侧的界面结合强度低于反应层近Al基体侧。过厚的界面反应层的存在一方面弱化了HEA颗粒的强化效果,另一方面加剧了材料内部颗粒、基体及界面区域的应力集中程度,从而恶化了材料的力学性能。FSPed HEA/Al复合材料的微观组织表征和力学性能测试结果表明:通过对HEA-Al界面结构的调控,界面反应得到了有效地抑制,反应层厚度约为750 nm,Al_(13)Co_4型相先于Al_9Co_2型相在界面处生成。连续动态再结晶机制、颗粒促进形核机制和Zener-pinning效应的共同作用使复合材料内部的晶粒尺寸细化为2.4μm。10 vol.%HEA/Al复合材料的抗拉强度和屈服强度分别为388 MPa和202 MPa,延伸率为15.3%。HEA-Al界面断口表面以韧性断裂为主,但仍然存在脆性断裂特征。SFSPed HEA/Al复合材料的微观组织表征和微-纳力学性能、拉伸性能及磨损性能测试结果表明:HEA颗粒的添加,弱化了Al基体的取向,细化了复合材料的晶粒尺寸(平均晶粒尺寸为1.2μm),提高了材料的显微硬度、纳米硬度、弹性模量、弹性应变破坏抗力(H/E)和塑性变形抗力(H~3/E~2)。SFSPed HEA/Al复合材料的抗拉强度和屈服强度分别为401 MPa和219 MPa,延伸率可达18.9%。HEA-Al界面断口表面为明显的韧性断裂。SFSPed HEA/Al复合材料的界面微观结构表征、FSPed/SFSPed HEA/Al复合材料界面行为研究及SFSPed HEA/Al复合材料强化机制分析结果表明:SFSPed HEA/Al复合材料中,界面反应层由具有纳米孪晶结构的FCC相、Al_(18)Cr_2Mg_3和贫Cr的纳米HEA颗粒组成,其厚度约为200 nm。FSPed HEA/Al复合材料的界面产物中Al_9Co_2型和Al_(13)Co_4型相低的有效生成Gibbs自由能是其生成的热力学本质。SFSPed HEA/Al复合材料中,降低的峰值温度、缩短的高温停留时间、较小的元素扩散系数以及Al基体中合金元素存在的固溶度,使得界面处的FCC相固溶体得以保存。FSPed/SFSPed HEA/Al复合材料中,界面产物Al_(18)Cr_2Mg_3的生成可以归因于Cr元素和Mg元素的偏析以及热力学上较低的吉布斯自由能变化量。SFSPed HEA/Al复合材料的主要强化机制为载荷传递强化、细晶强化和位错强化。


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