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【科普知识】利用原位反应法制备新型金属复合材料
2020-11-26 04:43澎湃新闻旗下帐号
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颗粒增强金属基复合材料(PRMMCs)以其较高的强度和刚度，优良的耐磨性等成为航空航天、汽车动力等结构领域中很有前途的材料。但结果表明，在合金材料中加入颗粒会降低塑性，限制了实用的发展和应用。高熵合金(HEAs)和HEA基复合材料具有强度高、延展性好、耐腐蚀、电磁等优异的综合性能，近年来备受关注。
在HEAs基体中加入WC、SiC、TiC和其他碳化物作为增强颗粒，提高了材料的强度和耐磨性，使HEAs基体复合材料的性能优于一些商用合金。例如，WC/AlCoCrCuFeNi复合材料的维氏硬度和断裂韧性分别为1922HV30和10.41 MPa m1/2，优于商用WC/Co硬质合金。
在这一背景下，研究团队展开了研究旨在对一种新的金属基复合材料制备方法进行分析。
该研究采用简单、高效的工艺制备了W/FeNiMnAlW高熵合金(HEA)基复合材料。HEA基体由面心立方相、有序体心立方相和W2C相组成。增强相W颗粒在HEA基体微观结构中分布均匀，其体积分数为30.9%，平均晶粒尺寸为13.57°m。
复合材料的钨颗粒与基体具有良好的冶金结合，并探讨了近球形钨颗粒的形成机理，复合材料的密度为10.55 g/cm3。钨相、B2相和面心立方(FCC)相的硬度分别为681.48HV、533.82HV和286.70 HV。W/FeNiMnAlW复合材料的屈服强度为1241 MPa，最大抗压强度为530mpa，最大塑性应变为15%，力学性能优越。
FCC相与体心立方(BCC)相的有效结合以及无边缘W颗粒的均匀分布是其良好力学性能的主要原因。W/FeNiMnAlW复合材料的体积磨损量和磨损率分别为0.42 mm3和4.95×10-3 mm3/N·m，磨损机制主要为粘着磨损和磨粒磨损。
热反应装置原理图如图1所示。反应前先将坩埚预热至773 K，然后将混合后的粉末放入坩埚中，用高温火柴点燃，形成高温熔体。静置10-15 s后，HEAs与Al2O3熔体发生分层。拔下塞子后，高温熔体由于自身重力作用，通过熔体输送管流至铸型底部，冷却后形成W/FeNiMnAlW复合材料。
图1所示。热反应装置示意图。
图2所示。(a) W/FeNiMnAlW复合材料的x射线衍射图，
(b) W/FeNiMnAlW复合材料的SEM图像和相应的EDS元素映射。
图3所示。W/FeNiMnAlW复合材料的TEM分析。
(a)复合材料的亮场图像，
(c)-(d): (a)中b、c、d的SAED图像，
(e)中e的SAED图像。
图4所示。(a)热反应制备的钢锭，(b)加工后的钢锭，
(c) W的粒径分布，(d) W/FeNiMnAlW复合材料的SEM显微图，
(e) W2C在FCC基体中的HADDF图像和相应的EDS元素映射。
图5所示。近球形W粒子的形成机理。
图6所示。
W/FeNiMnAlW复合材料的室温压缩应力-应变曲线。
图7所示。压缩样品的扫描电镜显微图。
(a) w粒子中的裂纹;(b)基体中的裂纹。
图8所示。
与其他铸态W-HEAs、HEA基复合材料的性能比较。
图9所示。
(a) W/FeNiMnAlW复合材料摩擦系数随滑动时间的变化曲线，
(b) W/FeNiMnAlW复合材料磨损表面的SEM图像，
(c) W/FeNiMnAlW复合材料磨损碎片的SEM图像。
该研究采用热反应法制备了w粒子增强的FeNiMnAlW HEA基复合材料。结果表明，HEA基体由FCC相、B2相和W2C相组成，基体中无棱角的W颗粒分布均匀。W粒子的平均粒径和体积分数分别为13.57和30.9%。复合材料的密度为10.55 g/cm3, W相、B2相和FCC相的硬度分别为681.48 HV、533.82 HV和286.70 HV。
复合材料的屈服强度为1241 MPa，最大抗压强度超过2530 MPa，塑性应变超过15%，综合性能优异。W/FeNiMnAlW复合材料的摩擦系数为0.63，体积磨损损失为0.42 mm3，磨损率为4.95×10-3 mm3/N·m，含钢球W/FeNiMnAlW复合材料的磨损机理主要为粘着磨损和磨粒磨损。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838820344017
文章来源：贤集网
原标题：《【科普知识】利用原位反应法制备新型金属复合材料》
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