【科普知識】利用原位反應法製備新型金屬複合材料

2020-11-26 澎湃新聞

顆粒增強金屬基複合材料(PRMMCs)以其較高的強度和剛度，優良的耐磨性等成為航空航天、汽車動力等結構領域中很有前途的材料。但結果表明，在合金材料中加入顆粒會降低塑性，限制了實用的發展和應用。高熵合金(HEAs)和HEA基複合材料具有強度高、延展性好、耐腐蝕、電磁等優異的綜合性能，近年來備受關注。

在HEAs基體中加入WC、SiC、TiC和其他碳化物作為增強顆粒，提高了材料的強度和耐磨性，使HEAs基體複合材料的性能優於一些商用合金。例如，WC/AlCoCrCuFeNi複合材料的維氏硬度和斷裂韌性分別為1922HV30和10.41 MPa m1/2，優於商用WC/Co硬質合金。

在這一背景下，研究團隊展開了研究旨在對一種新的金屬基複合材料製備方法進行分析。

該研究採用簡單、高效的工藝製備了W/FeNiMnAlW高熵合金(HEA)基複合材料。HEA基體由面心立方相、有序體心立方相和W2C相組成。增強相W顆粒在HEA基體微觀結構中分布均勻，其體積分數為30.9%，平均晶粒尺寸為13.57°m。

複合材料的鎢顆粒與基體具有良好的冶金結合，並探討了近球形鎢顆粒的形成機理，複合材料的密度為10.55 g/cm3。鎢相、B2相和面心立方(FCC)相的硬度分別為681.48HV、533.82HV和286.70 HV。W/FeNiMnAlW複合材料的屈服強度為1241 MPa，最大抗壓強度為530mpa，最大塑性應變為15%，力學性能優越。

FCC相與體心立方(BCC)相的有效結合以及無邊緣W顆粒的均勻分布是其良好力學性能的主要原因。W/FeNiMnAlW複合材料的體積磨損量和磨損率分別為0.42 mm3和4.95×10-3 mm3/N·m，磨損機制主要為粘著磨損和磨粒磨損。

熱反應裝置原理圖如圖1所示。反應前先將坩堝預熱至773 K，然後將混合後的粉末放入坩堝中，用高溫火柴點燃，形成高溫熔體。靜置10-15 s後，HEAs與Al2O3熔體發生分層。拔下塞子後，高溫熔體由於自身重力作用，通過熔體輸送管流至鑄型底部，冷卻後形成W/FeNiMnAlW複合材料。

圖1所示。熱反應裝置示意圖。

圖2所示。(a) W/FeNiMnAlW複合材料的x射線衍射圖，

(b) W/FeNiMnAlW複合材料的SEM圖像和相應的EDS元素映射。

圖3所示。W/FeNiMnAlW複合材料的TEM分析。

(a)複合材料的亮場圖像，

(c)-(d): (a)中b、c、d的SAED圖像，

(e)中e的SAED圖像。

圖4所示。(a)熱反應製備的鋼錠，(b)加工後的鋼錠，

(c) W的粒徑分布，(d) W/FeNiMnAlW複合材料的SEM顯微圖，

(e) W2C在FCC基體中的HADDF圖像和相應的EDS元素映射。

圖5所示。近球形W粒子的形成機理。

圖6所示。

W/FeNiMnAlW複合材料的室溫壓縮應力-應變曲線。

圖7所示。壓縮樣品的掃描電鏡顯微圖。

(a) w粒子中的裂紋;(b)基體中的裂紋。

圖8所示。

與其他鑄態W-HEAs、HEA基複合材料的性能比較。

圖9所示。

(a) W/FeNiMnAlW複合材料摩擦係數隨滑動時間的變化曲線，

(b) W/FeNiMnAlW複合材料磨損表面的SEM圖像，

(c) W/FeNiMnAlW複合材料磨損碎片的SEM圖像。

該研究採用熱反應法製備了w粒子增強的FeNiMnAlW HEA基複合材料。結果表明，HEA基體由FCC相、B2相和W2C相組成，基體中無稜角的W顆粒分布均勻。W粒子的平均粒徑和體積分數分別為13.57和30.9%。複合材料的密度為10.55 g/cm3, W相、B2相和FCC相的硬度分別為681.48 HV、533.82 HV和286.70 HV。

複合材料的屈服強度為1241 MPa，最大抗壓強度超過2530 MPa，塑性應變超過15%，綜合性能優異。W/FeNiMnAlW複合材料的摩擦係數為0.63，體積磨損損失為0.42 mm3，磨損率為4.95×10-3 mm3/N·m，含鋼球W/FeNiMnAlW複合材料的磨損機理主要為粘著磨損和磨粒磨損。

原文連結：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838820344017

文章來源：賢集網

原標題：《【科普知識】利用原位反應法製備新型金屬複合材料》

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