[發明專利]制備高熵合金顆粒增強型細晶鋁基復合材料的方法及裝置

在審

• 申請號: 202010015670.6
• 申請日: 2020-01-07
• 公開（公告）號: CN111069761A
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 張紅霞;楊瀟;閆志峰;董鵬;程步云;王文先;段榮
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12;B23K20/24;B23K20/26
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 趙禛

制備高熵合金顆粒增強型細晶鋁基復合材料的裝置及其方法，屬于鋁基復合材料技術領域，本裝置在攪拌摩擦焊機工作平臺上固定設置有水槽，水槽上設置有進水口和出水口，夾具安裝在水槽中，鋁合金板壓緊于夾具上。制備方法如下：首先，對鋁合金板的待加工表面打磨后沖制盲孔；其次，壓實的高熵合金粉末填滿盲孔；再次，采用無針攪拌頭對盲孔上部進行密封處理；最后，啟動冷卻水系統，有針攪拌頭在水下進行攪拌摩擦加工，打磨、砂光處理制得高熵合金顆粒增強型細晶鋁基復合材料層。本發明攪拌摩擦加工采用水下冷卻加工制備，制得的復合材料晶粒細小，高熵合金顆粒不僅可以均勻分布于鋁合金基體中而且有效的減小了高熵合金顆粒與基體的界面反應。

技術領域

本發明屬于鋁基復合材料技術領域，具體涉及的是一種制備高熵合金顆粒增強型細晶鋁基復合材料的方法及裝置。

背景技術

鋁合金由于其高的比強度、高的比模量和優異的抗腐蝕性能等，在汽車、船舶和航空航天工業中展現出良好的應用前景。但是，鋁合金的低強度、低模量，低的耐磨抗力等不足限制了其在結構領域的應用。在鋁合金中加入顆粒增強相制備鋁基復合材料，可以有效的提高鋁合金的強度、硬度和耐磨性。陶瓷材料因其高的硬度和耐磨性，往往被用來作為鋁基復合材料的顆粒增強相；但由于陶瓷與金屬基體熱物理性能的差異，會造成界面結合強度低、易產生脆性相等問題，而且陶瓷顆粒自身變形能力差，在提高材料強度的同時，使得復合材料的變形能力降低。

高熵合金具有強度高、楊氏模量大，其與金屬基體間的金屬-金屬界面良好的潤濕性等優點，用來代替陶瓷顆粒制備復合材料可以兼顧強度和塑性。目前常用的復合材料的制備方法包括：放電等離子燒結技術、激光表面注入等技術，這些技術在復合材料的制備過程中，都難以避免在高熵合金顆粒與基體界面產生嚴重的界面反應，從而使得制備出的復合材料界面脆性增加，塑性惡化。

發明內容

為了克服現有技術的不足，提高鋁合金的強度、硬度、耐磨性和變形能力，本發明提供一種制備高熵合金顆粒增強型細晶鋁基復合材料的方法及裝置。

本發明的設計構思為：攪拌摩擦加工作為一種固相加工技術，具有加工溫度低、加熱時間短等特點；同時將攪拌摩擦焊接過程在水下進行，一方面可以最大程度減少或者抑制高熵金屬顆粒與基體的界面反應，改善材料的塑性；另一方面可以有效減少加工后再結晶晶粒的長大，從而實現細晶強化。因此，采用水下攪拌摩擦加工技術制備高熵合金顆粒增強細晶鋁基復合材料，能夠提高鋁合金的強度、硬度、耐磨性和變形能力，可以得到性能優良的鋁基復合材料。

本發明通過以下技術方案予以實現。

制備高熵合金顆粒增強型細晶鋁基復合材料的裝置，其中：攪拌摩擦焊裝置的工作平臺上固定設置有水槽，水槽的前側面上設置有進水口，水槽的后側面上設置有出水口，進水口與出水口關于水槽中心對稱；夾具安裝在水槽中，所述夾具包括墊塊、壓塊和鎖緊螺栓，墊塊固定安裝于水槽中，墊塊的前后兩端分別設置有壓塊，鎖緊螺栓分別設置于墊塊的首尾兩端，鎖緊螺栓將待加工鋁合金板壓緊于壓塊與墊塊之間。

采用上述裝置制備高熵合金顆粒增強型細晶鋁基復合材料的方法，包括以下步驟：

S1、鋁合金板表面預處理

若鋁合金板的厚度≤5mm，打磨鋁合金板任一側表面作為待加工表面，若鋁合金板的厚度為5＜厚度≤10mm，分別打磨鋁合金板上下兩側表面作為待加工表面，直至待加工表面粗糙度為0.8 μm，然后在鋁合金板的待加工表面上沖制若干直徑為1.5~3mm的盲孔，盲孔間距為0.5~1 mm，若鋁合金板的厚度≤5mm時，盲孔孔底與鋁合金底板底面之間的距離為0.5mm，若鋁合金板的厚度為5＜厚度≤10mm，盲孔孔底與鋁合金底板中心線之間的距離為0.5mm；

S2、將粒徑為15~53 μm的高熵合金粉末填入步驟S1沖制的盲孔中，采用圓柱棒將填入盲孔中的高熵合金粉末壓實，圓柱棒與盲孔內壁間隙配合，重復操作本步驟S2多次，直至壓實的高熵合金粉末填滿盲孔；