[發明專利]基于貝殼結構的Fe-Cu-HEA高強韌仿生復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201810959600.9
• 申請日: 2018-08-22
• 公開（公告）號: CN109016728B
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 董鵬;郭燕陽;武曉偉;胡松林;張紅霞;李錦鵬;楊瀟;劉澤鵬
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: B32B15/01
• 分類號: B32B15/01;B32B15/18;B32B15/20;C23C4/08;C23C4/134;B23K20/12
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 溫彪飛;武建云

本發明公開了一種基于貝殼結構的Fe?Cu?HEA高強韌仿生復合材料及其制備方法。本發明以貝殼結構為模板，設計了Fe?Cu?HEA高強韌仿生復合材料。具體實施步驟如下：先采用攪拌摩擦焊的方法實現銅鋼復合板的制備，再通過等離子噴焊工藝實現銅鋼復合板銅一側高熵合金層的制備，所用等原子比的AlCoCrFeNi五主元高熵合金是真空氣霧化法制備的粉末，最后通過淬火處理完成制備。本發明的仿生復合材料具有傳統材料無法比擬的高耐磨、抗沖擊、耐高溫、耐腐蝕等優異性能，焊接接頭性能優異，且制備方法具有安全可靠，生產成本低，焊接性能優異，結構簡單，節約資源等特點，為復合材料的結構設計提供了新的設計思路，具有極大的促進意義。

技術領域

本發明屬于焊接技術領域，具體涉及一種基于貝殼結構的Fe-Cu-HEA高強韌仿生復合材料及其制備方法。

背景技術

天然生物材料，如貝殼，是生物體為了適應環境，經歷億萬年的演變和進化形成的，其結構和功能已達到近乎完美的程度，受自然界生物啟發利用新穎的合成策略和源于自然的仿生原理來設計合成結構材料和功能材料是近年來迅速崛起的研究領域。貝殼具有優異的強度、剛度、硬度和斷裂韌性，是高強韌復合材料設計的理想生物模型，受此啟發，國內外研究人員紛紛師法自然，以貝殼為模板探索高強韌層狀復合材料的制備方法，涉及材料科學、機械和民用工程、航空航天、生物醫學等各個領域。

而要以貝殼為模板構筑高強韌的仿生復合材料，就要先以貝殼為模板進行仿生結構設計，在結構設計的基礎上，還要根據性能特點選用合適的材料，在選擇材料時還要考慮層與層材料之間的相容性，以及采用何種工藝實現各層的制備與各層材料間的高效連接，因此實現以貝殼為模板的高強韌復合材料也提出了嚴格的要求。

發明內容

貝殼由內向外分別為珍珠層-有機質層-硬殼層，硬殼層具有高硬度的特點，有機質層具有良好的沖擊韌性，珍珠層的硬度和韌性介于前兩者之間。本發明以貝殼結構為模板，設計了Fe-Cu-HEA高強韌仿生復合材料及其制備方法。

本發明是采用如下技術方案實現的：

一種基于貝殼結構的Fe-Cu-HEA高強韌仿生復合材料，包括三層結構，自下而上第一層為鋼板層、第二層為銅板層、第三層為等原子比的AlCoCrFeNi五主元高熵合金層。

所述鋼板層采用Q235鋼板，所述銅板層采用T2紫銅板，所述等原子比的AlCoCrFeNi五主元高熵合金粉末采用真空氣霧化法制備。

上述基于貝殼結構的Fe-Cu-HEA高強韌仿生復合材料的制備方法，先采用攪拌摩擦焊的方法實現銅鋼復合板的制備；再通過等離子噴焊工藝實現銅鋼復合板的銅一側高熵合金層的制備，所用等原子比的AlCoCrFeNi五主元高熵合金是真空氣霧化法制備的粉末；最后通過淬火處理完成制備。

具體包括如下步驟：

步驟1、將銅板和鋼板上下搭接，采用攪拌摩擦焊進行復合板焊接制備銅鋼復合板，其焊接參數為攪拌頭轉速560r/min、進給速度30r/min、下壓量-3.15mm；

步驟2、將高熵合金粉末采用等離子噴焊工藝，噴焊到銅鋼復合板的銅一側，制備得到高熵合金層，其焊接參數是噴焊電流110A、離子氣送進速率3L/min、保護氣送進速率6L/min，送粉氣送進速率2.5 L/min；

步驟3、將制備好的Fe-Cu-HEA復合板材，進行淬火處理，其參數為溫度740℃、保溫時長4min、10%Nacl水溶液冷卻。

本發明方法中焊接過程由程序控制，焊接參數一經設定，即可實現自動焊接，不受操作人員技術水平的影響；焊接過程易于監控，連續性強，可以實現大面積Fe-Cu-HEA高強韌復合板材的制備，過程中待焊板材不發生熔化，無射線，無飛濺，工作環境安全；焊接后的復合區達到原子間結合，結合力強，質量穩定、可靠，焊后只需進行簡單的表面修整，即可達到使用要求。