【摘 要】
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作为高性能轻型结构首选材料的镁合金,其硬度较低和耐磨性差等问题的存在使其应用受限。通过向镁及其合金中添加相应的增强相得到镁基复合材料,可以使其强度、硬度和耐磨性等得到不同程度的改善。选择硬度高、耐磨性好,以及与基体热膨胀系数差较小的材料作为增强相,可以使基体的性能得到更大的提升。高熵合金作为一种新型多元合金,不仅具有强度、硬度、耐磨性,而且其具有的良好界面润湿性,使复合材料及界面性能得到提高。基于
【基金项目】
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山西省自然科学面上项目:镁基高熵复合材料放电等离子烧结制备及其界面演化研究(No.201901D111106);
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作为高性能轻型结构首选材料的镁合金,其硬度较低和耐磨性差等问题的存在使其应用受限。通过向镁及其合金中添加相应的增强相得到镁基复合材料,可以使其强度、硬度和耐磨性等得到不同程度的改善。选择硬度高、耐磨性好,以及与基体热膨胀系数差较小的材料作为增强相,可以使基体的性能得到更大的提升。高熵合金作为一种新型多元合金,不仅具有强度、硬度、耐磨性,而且其具有的良好界面润湿性,使复合材料及界面性能得到提高。基于放电等离子烧结技术(SPS)快速、低温、节能和环保的优势,论文提出SPS方法制备AlCoCuFeNi高熵合金颗粒增强Mg基复合材料,研究为丰富高熵合金的应用及发展提供依据,对于扩大镁合金的应用具有重要的意义。将不同体积分数的70μm的气雾化AlCoCuFeNi高熵合金颗粒和75μm的镁粉末用高能球磨法在不锈钢球磨罐中混合均匀;球磨转速为240 r/min,球磨时间为6 h,球料比为8:1,真空气氛保护。将混合均匀后的复合粉末放入放电等离子烧结炉内进行烧结,得到无明显孔洞、裂纹等缺陷的AlCoCuFeNi/Mg复合材料。采用SEM、XRD、EDS等表征方法对不同高熵颗粒体积分数的复合材料的微观形貌、物相组成进行定性分析;探究了不同高熵颗粒体积分数复合材料的显微硬度、压缩性能等宏观力学性能,并分析了复合材料的摩擦磨损性能,探究了复合材料的磨损机制。高熵颗粒含量为5 vol.%~15 vol.%的复合材料内颗粒分布均匀,含量为20 vol.%的复合材料中有部分高熵颗粒出现了团聚现象,Mg基体与高熵颗粒之间没有明显的界面反应层,经过热处理后的AlCoCuFeNi/Mg复合材料也未观察到明显的界面反应层。烧结后的复合材料主要由Mg、Cu Mg2和BCC相组成,相对比于原始AlCoCuFeNi高熵合金粉末没有发现明显的FCC衍射峰。烧结过程中基体中的Mg元素会扩散到高熵颗粒中,颗粒中Mg含量的增加会促使AlCoCuFeNi高熵合金从致密堆积的FCC相结构转变成为较松散堆积的BCC相结构。烧结后的AlCoCuFeNi/Mg复合材料致密度良好,最高为97.96%,最低为91.66%,复合材料的实际密度和理论密度随着高熵颗粒含量从0增加到20 vol.%而逐渐增大,但致密度随之而下降。复合材料的硬度随着高熵颗粒含量的增加而提高,硬度最高为67 HV0.1,较基体提升45.9%。复合材料的极限抗压强度随着高熵颗粒含量的增加,呈现先上升后下降的趋势,压缩率则是随高熵颗粒含量的增加一直下降。当高熵颗粒含量为15 vol.%时复合材料的抗压性能最好,极限抗压强度为269.18 MPa,压缩率为13.2%。复合材料的耐磨性随着高熵颗粒含量从0增加到20 vol.%,呈现出先下降后上升,然后再下降的趋势。当高熵颗粒含量为15 vol.%时复合材料的摩擦系数最低,磨损率最小,比纯Mg基体的磨损率下降了41.3%,因此耐磨性最佳。当高熵颗粒含量较低时,复合材料的磨损机制有疲劳磨损、粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损;当高熵颗粒含量较高时,复合材料的磨损机制主要是磨粒磨损和氧化磨损。
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