[发明专利]制备高熵合金颗粒增强型细晶铝基复合材料的方法及装置

说明书

制备高熵合金颗粒增强型细晶铝基复合材料的装置及其方法，属于铝基复合材料技术领域，本装置在搅拌摩擦焊机工作平台上固定设置有水槽，水槽上设置有进水口和出水口，夹具安装在水槽中，铝合金板压紧于夹具上。制备方法如下：首先，对铝合金板的待加工表面打磨后冲制盲孔；其次，压实的高熵合金粉末填满盲孔；再次，采用无针搅拌头对盲孔上部进行密封处理；最后，启动冷却水系统，有针搅拌头在水下进行搅拌摩擦加工，打磨、砂光处理制得高熵合金颗粒增强型细晶铝基复合材料层。本发明搅拌摩擦加工采用水下冷却加工制备，制得的复合材料晶粒细小，高熵合金颗粒不仅可以均匀分布于铝合金基体中而且有效的减小了高熵合金颗粒与基体的界面反应。

技术领域

本发明属于铝基复合材料技术领域，具体涉及的是一种制备高熵合金颗粒增强型细晶铝基复合材料的方法及装置。

背景技术

铝合金由于其高的比强度、高的比模量和优异的抗腐蚀性能等，在汽车、船舶和航空航天工业中展现出良好的应用前景。但是，铝合金的低强度、低模量，低的耐磨抗力等不足限制了其在结构领域的应用。在铝合金中加入颗粒增强相制备铝基复合材料，可以有效的提高铝合金的强度、硬度和耐磨性。陶瓷材料因其高的硬度和耐磨性，往往被用来作为铝基复合材料的颗粒增强相；但由于陶瓷与金属基体热物理性能的差异，会造成界面结合强度低、易产生脆性相等问题，而且陶瓷颗粒自身变形能力差，在提高材料强度的同时，使得复合材料的变形能力降低。

高熵合金具有强度高、杨氏模量大，其与金属基体间的金属-金属界面良好的润湿性等优点，用来代替陶瓷颗粒制备复合材料可以兼顾强度和塑性。目前常用的复合材料的制备方法包括：放电等离子烧结技术、激光表面注入等技术，这些技术在复合材料的制备过程中，都难以避免在高熵合金颗粒与基体界面产生严重的界面反应，从而使得制备出的复合材料界面脆性增加，塑性恶化。

发明内容

为了克服现有技术的不足，提高铝合金的强度、硬度、耐磨性和变形能力，本发明提供一种制备高熵合金颗粒增强型细晶铝基复合材料的方法及装置。

本发明的设计构思为：搅拌摩擦加工作为一种固相加工技术，具有加工温度低、加热时间短等特点；同时将搅拌摩擦焊接过程在水下进行，一方面可以最大程度减少或者抑制高熵金属颗粒与基体的界面反应，改善材料的塑性；另一方面可以有效减少加工后再结晶晶粒的长大，从而实现细晶强化。因此，采用水下搅拌摩擦加工技术制备高熵合金颗粒增强细晶铝基复合材料，能够提高铝合金的强度、硬度、耐磨性和变形能力，可以得到性能优良的铝基复合材料。

本发明通过以下技术方案予以实现。

制备高熵合金颗粒增强型细晶铝基复合材料的装置，其中：搅拌摩擦焊装置的工作平台上固定设置有水槽，水槽的前侧面上设置有进水口，水槽的后侧面上设置有出水口，进水口与出水口关于水槽中心对称；夹具安装在水槽中，所述夹具包括垫块、压块和锁紧螺栓，垫块固定安装于水槽中，垫块的前后两端分别设置有压块，锁紧螺栓分别设置于垫块的首尾两端，锁紧螺栓将待加工铝合金板压紧于压块与垫块之间。

采用上述装置制备高熵合金颗粒增强型细晶铝基复合材料的方法，包括以下步骤：

S1、铝合金板表面预处理

若铝合金板的厚度≤5mm，打磨铝合金板任一侧表面作为待加工表面，若铝合金板的厚度为5＜厚度≤10mm，分别打磨铝合金板上下两侧表面作为待加工表面，直至待加工表面粗糙度为0.8 µm，然后在铝合金板的待加工表面上冲制若干直径为1.5~3mm的盲孔，盲孔间距为0.5~1 mm，若铝合金板的厚度≤5mm时，盲孔孔底与铝合金底板底面之间的距离为0.5mm，若铝合金板的厚度为5＜厚度≤10mm，盲孔孔底与铝合金底板中心线之间的距离为0.5mm；

S2、将粒径为15~53 µm的高熵合金粉末填入步骤S1冲制的盲孔中，采用圆柱棒将填入盲孔中的高熵合金粉末压实，圆柱棒与盲孔内壁间隙配合，重复操作本步骤S2多次，直至压实的高熵合金粉末填满盲孔；