一种“核-壳”结构高熵合金增强相及其增强的铝基复合材料及其制备工艺

结构增强相的“外壳”为高熵合金-铝的界面扩散层，其厚度为0.1～10μm。“核-壳”结构高熵合金增强相在铝基复合材料中的体积分数5％～50％；复合材料的基体为高纯铝、1000系、2000系、3000系、4000系、5000系、6000系、7000系、8000系铝合金，体积分数为95％-50％。
8.进一步地，高熵合金颗粒与铝基体的界面形成了一层0.1～10μm的界面扩散层，即形成了“核-壳”结构特征的高熵合金颗粒增强相。
9.上述的一种“核-壳”结构高熵合金增强相及其增强的铝基复合材料的制备工艺，其主要工艺步骤包括：
10.(1)将高熵合金颗粒和铝粉末经混粉/压制后低温快速烧结成铝基复合材料块体；
11.(2)将烧结后的复合材料块体放入高温炉中保温，得到已热扩散高熵合金合金颗粒增强铝基复合材料；
12.(3)将复合材料块体快速冷却至0℃～25℃，冷却速率为：100～200℃/s，得到具有“核-壳”结构高熵合金增强相的铝基复合材料。
13.本发明中，经过混粉/压制后低温快速烧结成铝基复合材料块体，并在一定温度下保温后迅速冷却后，得到的一种“核壳”界面结构特征的高熵合金颗粒增强铝基复合材料组织示意图如图1所示。与现有技术中，经过经混粉/压制后低温快速烧结成铝基复合材料块体得到的单一的不具有“核-壳”结构的高熵合金增强相颗粒的sem图，图1的对比可以看出图3中增强相与基体之间的界面很清晰，并没有形成“核壳”形状的界面。
14.上述工艺中，步骤(1)中，所述烧结的温度为400～450℃，烧结时间为0.1～1.5h。
15.上述工艺中，步骤(2)中，所述保温的温度为500～550℃，保温时间为0.01h～5h。
16.上述工艺中，步骤(2)中，所述高温炉中保温的升温速率为：5℃/min～50℃/min。
17.上述工艺中，步骤(3)中，样品冷却时间需控制在1s～5s内。
18.与现有技术相比，本发明的一种“核-壳”结构高熵合金增强相及其增强的铝基复合材料的制备工艺的优点在于:
19.(1)本发明制备了一种“硬核软壳”的结构的增强相，该增强相是由单一高熵合金增强相转变而成，其与铝合金基体具有天然的界面相容性，界面润湿性好。
20.(2)本发明涉及的“硬核软壳”高熵合金增强相可以显著提升高熵合金增强体-铝基体的界面结合强度，使得铝基复合材料具有高强、高韧、耐磨、抗冲击等特性。
21.(3)本发明涉及的制备工艺简短、成本较低，容易实现，特别是对于经液态法(熔铸/压铸/压渗/搅拌铸造等工艺)、固态法(粉末热挤压或烧结成形)以及其他工艺制备的高熵合金增强铝合金材料或复合材料，本工艺可以作为其获得高强度界面以及高强高韧性能的后处理工艺。
附图说明
22.图1为本发明一种“核壳”界面结构特征的高熵合金颗粒增强铝基复合材料组织示意图；
23.图2为具有“核-壳”结构高熵合金增强相的sem图；
24.图3为单一的不具有“核-壳”结构的高熵合金增强相颗粒的sem图；
25.图4为实施例1所得产品的“核壳”界面结构图；
26.图5为实施例2所得产品的“核壳”界面结构图；
27.图6为实施例3所得产品的“核壳”界面结构图；
28.图7为实施例4所得产品的“核壳”界面结构图；
29.图8为实施例5所得产品的“核壳”界面结构图；
30.图9为实施例6所得产品的“核壳”界面结构图；
31.图10为实施例7所得产品的“核壳”界面结构图；
32.图11为实施例8所得产品的“核壳”界面结构图；
33.图12为实施例9所得产品的“核壳”界面结构图。
具体实施方式
34.下面结合具体实施例对本发明作进一步地具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
35.实施例1
36.铝基复合材料的增强体选用alticrcu高熵合金，体积分数为5％；基体选用高纯铝，其体积分数为95％。首先，将高熵合金颗粒和铝合金粉末经混粉/压制后低温快速烧结成铝基复合材料块体，烧结温度为400℃，烧结时间为0.1h；然后，将烧结后复合材料块体放入高温炉中保温，升温速率为：50℃/min，保温温度为550℃，保温时间为1.5h；随后，将复合材料块体快速冷却至0℃，冷却速率为：200℃/s。最后，对“核壳”界面结构高熵合金颗粒增强铝基复合材料进行力学测试。测得样品抗拉强度为280mpa，屈服强度为294mpa，断后伸长率15.3％，弹性模量71gpa。其“核壳”界面结构如图4所示。
37.实施例2
38.铝基复合材料的增强体选用alticrni高熵合金，体积分数为12％；基体选用1xxx铝合金，其体积分数为88％。首先，将高熵合金颗粒和铝合金粉末经混粉/压制后低温快速烧结成铝基复合材料块体，烧结温度为450℃，烧结时间为0.1h；然后，将烧结后复合材料块体放入高温炉中保温，升温速率为：50℃/min，保温温度为510℃，保温时间为0.01h；随后，将复合材料块体快速冷却至10℃，冷却速率为：180℃/s。最后，对“核壳”界面结构高熵合金颗粒增强铝基复合材料进行力学测试。测得样品抗拉强度为301mpa，屈服强度为312mpa，断后伸长率9.3％，弹性模量75gpa。其“核壳”界面结构如图5所示。
39.实施例3
40.铝基复合材料的增强体选用alticrfe高熵合金，体积分数为17％；基体选用3xxx铝合金，其体积分数为83％。首先，将高熵合金颗粒和铝合金粉末经混粉/压制后低温快速烧结成铝基复合材料块体，烧结温度为420℃，烧结时间为1.5h；然后，将烧结后复合材料块体放入高温炉中保温，升温速率为：50℃/min，保温温度为500℃，保温时间为0.5h；随后，将复合材料块体快速冷却至25℃，冷却速率为：150℃/s。最后，对“核壳”界面结构高熵合金颗粒增强铝基复合材料进行力学测试。测得样品抗拉强度为431mpa，屈服强度为463mpa，断后伸长率4.3％，弹性模量85gpa。其“核壳”界面结构如图6所示。
41.实施例4
42.铝基复合材料的增强体选用alticrfeni高熵合金，体积分数为22％；基体选用3xxx铝合金，其体积分数为78％。首先，将高熵合金颗粒和铝合金粉末经混粉/压制后低温快速烧结成铝基复合材料块体，烧结温度为415℃，烧结时间为0.1h；然后，将烧结后复合材
料块体放入高温炉中保温，升温速率为：5℃/min，保温温度为550℃，保温时间为5h；随后，将复合材料块体快速冷却至15℃，冷却速率为：100℃/s。最后，对“核壳”界面结构高熵合金颗粒增强铝基复合材料进行力学测试。测得样品抗拉强度为312mpa，屈服强度为331mpa，断后伸长率13.8％，弹性模量77gpa。其“核壳”界面结构如图7所示。
43.实施例5
44.铝基复合材料的增强体选用alticrnico高熵合金，体积分数为8％；基体选用4xxx铝合金，其体积分数为92％。首先，将高熵合金颗粒和铝合金粉末经混粉/压制后低温快速烧结成铝基复合材料块体，烧结温度为435℃，烧结时间为1.2h；然后，将烧结后复合材料块体放入高温炉中保温，升温速率为：15℃/min，保温温度为515℃，保温时间为5h；随后，将复合材料块体快速冷却至20℃，冷却速率为：150℃/s。最后，对“核壳”界面结构高熵合金颗粒增强铝基复合材料进行力学测试。测得样品抗拉强度为287mpa，屈服强度为301mpa，断后伸长率17.2％，弹性模量70gpa。其“核壳”界面结构如图8所示。
45.实施例6
46.铝基复合材料的增强体选用alticrcuni高熵合金，体积分数为13％；基体选用5xxx铝合金，其体积分数为87％。首先，将高熵合金颗粒和铝合金粉末经混粉/压制后低温快速烧结成铝基复合材料块体，烧结温度为440℃，烧结时间为1h；然后，将烧结后复合材料块体放入高温炉中保温，升温速率为：25℃/min，保温温度为520℃，保温时间为0.5h；随后，将复合材料块体快速冷却至5℃，冷却速率为：160℃/s。最后，对“核壳”界面结构高熵合金颗粒增强铝基复合材料进行力学测试。测得样品抗拉强度为357mpa，屈服强度为369mpa，断后伸长率4.4％，弹性模量81gpa。其“核壳”界面结构如图9所示。
47.实施例7
48.铝基复合材料的增强体选用alticrcuco高熵合金，体积分数为25％；基体选用6xxx铝合金，其体积分数为75％。首先，将高熵合金颗粒和铝合金粉末经混粉/压制后低温快速烧结成铝基复合材料块体，烧结温度为450℃，烧结时间为0.5h；然后，将烧结后复合材料块体放入高温炉中保温，升温速率为：50℃/min，保温温度为520℃，保温时间为0.3h；随后，将复合材料块体快速冷却至25℃，冷却速率为：190℃/s。最后，对“核壳”界面结构高熵合金颗粒增强铝基复合材料进行力学测试。测得样品抗拉强度为362mpa，屈服强度为347mpa，断后伸长率5.5％，弹性模量81gpa。其“核壳”界面结构如图10所示。
49.实施例8
50.铝基复合材料的增强体选alticrcufe高熵合金，体积分数为12％；基体选用7xxx铝合金，其体积分数为88％。首先，将高熵合金颗粒和铝合金粉末经混粉/压制后低温快速烧结成铝基复合材料块体，烧结温度为440℃，烧结时间为0.6h；然后，将烧结后复合材料块体放入高温炉中保温，升温速率为：30℃/min，保温温度为530℃，保温时间为0.2h；随后，将复合材料块体快速冷却至15℃，冷却速率为：120℃/s。最后，对“核壳”界面结构高熵合金颗粒增强铝基复合材料进行力学测试。测得样品抗拉强度为351mpa，屈服强度为368mpa，断后伸长率5.7％，弹性模量80gpa。其“核壳”界面结构如图11所示。
51.实施例9
52.铝基复合材料的增强体选用alticrcufeco高熵合金，体积分数为10％；基体选用8xxx铝合金，其体积分数为90％。首先，将高熵合金颗粒和铝合金粉末经混粉/压制后低温
快速烧结成铝基复合材料块体，烧结温度为420℃，烧结时间为0.8h；然后，将烧结后复合材料块体放入高温炉中保温，升温速率为：50℃/min，保温温度为510℃，保温时间为5h；随后，将复合材料块体快速冷却至0℃，冷却速率为：150℃/s。最后，对“核壳”界面结构高熵合金颗粒增强铝基复合材料进行力学测试。测得样品抗拉强度为323mpa，屈服强度为347mpa，断后伸长率6.2％，弹性模量79gpa。其“核壳”界面结构如图12所示。本实施例中“核-壳”结构高熵合金增强相的sem图如图2所示。
53.应当理解，以上借助优化实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，都应当视为属于本发明提交的权利要求书确定的专利保护范围。
54.本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.一种“核-壳”结构高熵合金增强相，其特征在于：增强相“核-壳”结构中“内核”为：alticrcu、alticrni、alticrfe、alticrfeni、alticrnico、alticrcuni、alticrcuco、alticrcufe、alticrcufeco低密度高熵合金颗粒系列；“核-壳”结构中的“外壳”为高熵合金-铝的界面扩散层，其厚度为0.1～10μm。2.一种“核-壳”结构高熵合金增强相增强的铝基复合材料，其特征在于：“核-壳”结构高熵合金增强相在铝基复合材料中的体积分数为5％-50％。3.如权利要求2所述一种“核-壳”结构高熵合金增强相增强的铝基复合材料，其特征在于：高熵合金颗粒与铝基体的界面形成了一层0.1～10μm的界面扩散层，即形成了“核-壳”结构特征的高熵合金颗粒增强相。4.如权利要求2所述一种“核-壳”结构高熵合金增强相增强的铝基复合材料，其特征在于：铝基体为高纯铝、1000系、2000系、3000系、4000系、5000系、6000系、7000系或8000系铝合金。5.如权利要求2所述一种“核-壳”结构高熵合金增强相增强的铝基复合材料，其特征在于：铝基体体积分数为95％-50％。6.一种“核-壳”结构高熵合金增强相增强的铝基复合材料的制备工艺，包括如下三个主要步骤:(1)将高熵合金颗粒和铝粉末经混粉/压制后低温快速烧结成铝基复合材料块体；(2)将烧结后的复合材料块体放入高温炉中保温，得到已热扩散高熵合金合金颗粒增强铝基复合材料；(3)将复合材料块体快速冷却至0℃～25℃，冷却速率为：100～200℃/s，得到具有“核-壳”结构高熵合金增强相的铝基复合材料。7.如权利要求6所述制备工艺，其特征在于，步骤(1)中，所述烧结的温度为400～450℃，烧结时间为0.1～1.5h。8.如权利要求6所述制备工艺，其特征在于，步骤(2)中，所述保温的温度为500～550℃，保温时间为0.01h～5h。9.如权利要求6所述制备工艺，其特征在于，步骤(2)中，所述高温炉中保温的升温速率为：5℃/min～50℃/min。10.如权利要求6所述的一种“核-壳”结构高熵合金增强相及其增强的铝基复合材料的制备工艺，其特征在于：步骤(3)中，样品冷却时间需控制在1s～5s内。

技术总结
本发明公开一种“核-壳”结构高熵合金增强相及其增强的铝基复合材料及其制备工艺。本发明涉及的铝基复合材料增强相“核-壳”结构中的“内核”为：AlTiCrCu、AlTiCrNi、AlTiCrFe、AlTiCrFeNi、AlTiCrNiCo、AlTiCrCuNi、AlTiCrCuCo、AlTiCrCuFe、AlTiCrCuFeCo等低密度高熵合金颗粒系列，“核-壳”结构中的“外壳”为高熵合金-铝的界面扩散层。该“硬核软壳”高熵合金增强相可以显著提升高熵合金-铝的界面结合强度，使得铝基复合材料具有高强、高韧、耐磨、抗冲击等特性，进一步拓展其在耐磨、抗冲击结构材料方面的应用。结构材料方面的应用。结构材料方面的应用。


技术研发人员：朱德智 何梦玲 罗铭强 聂德建 王顺成 庄怀斌
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.03.08
技术公布日：2023/7/19