本發(fā)明涉及高強(qiáng)耐磨鋁基復(fù)合材料制備，具體涉及一種碳化硅及高熵合金增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、剎車(chē)盤(pán)作為車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，其性能直接關(guān)系到行車(chē)安全與行業(yè)發(fā)展。傳統(tǒng)剎車(chē)盤(pán)材料，如鑄鐵和鋼制材料，在極端工況下，如高速制動(dòng)、頻繁剎車(chē)或重載條件下，常表現(xiàn)出熱傳導(dǎo)性差、耐磨性不足及易產(chǎn)生熱衰減等局限性。這些不足限制了高性能汽車(chē)及新能源汽車(chē)領(lǐng)域的安全發(fā)展。且鑄鐵或鋼制材料密度大，較重的成品構(gòu)件不利于節(jié)能減排以及汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展。

2、鋁基復(fù)合材料因其獨(dú)特的物理與力學(xué)性能，特別是優(yōu)異的耐磨性、高熱傳導(dǎo)性和輕量化特性有望成為下一代剎車(chē)盤(pán)材料。

3、但是，現(xiàn)有技術(shù)的鋁基復(fù)合材料存在下述問(wèn)題：

4、1）?在實(shí)際應(yīng)用中常面臨脆性較高的問(wèn)題，這主要是由于增強(qiáng)相（如碳化硅sic顆粒）與鋁基體之間的模量差異巨大，導(dǎo)致在受力時(shí)界面處應(yīng)力集中，從而引發(fā)裂紋擴(kuò)展和材料失效；

5、2）?另一方面，利用傳統(tǒng)工藝增強(qiáng)相分散不均勻，容易在變形初期誘發(fā)應(yīng)力集中，嚴(yán)重?fù)p壞了鋁基復(fù)合材料的塑性。

6、針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種碳化硅及高熵合金增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，該方法創(chuàng)新性地提出了一種具有模量梯度的仿生核殼結(jié)構(gòu)sic及高熵合金增強(qiáng)鋁基材料的設(shè)計(jì)與制備方法：通過(guò)聲共振技術(shù)以及燒結(jié)工藝實(shí)現(xiàn)了具有模量梯度的鋁合金基體、高熵合金、sic的多層跨尺度仿生核殼結(jié)構(gòu)。

7、本發(fā)明的技術(shù)方案中，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形成跨尺度模量梯度，有效緩解了傳統(tǒng)陶瓷增強(qiáng)相與基體間的模量不匹配問(wèn)題，顯著降低了界面應(yīng)力集中；另一方面，本發(fā)明采用的聲共振技術(shù)，基于聲學(xué)流動(dòng)原理，利用機(jī)械共振產(chǎn)生大振幅振動(dòng)，在內(nèi)部產(chǎn)生聲學(xué)流動(dòng)，使得物料整體被充分流化，產(chǎn)生混合運(yùn)動(dòng)，顯著提升了增強(qiáng)相的分散效果；本發(fā)明所制備的鋁基復(fù)合材料兼?zhèn)涓邚?qiáng)高耐磨以及良好塑性，有望推動(dòng)鋁基復(fù)合材料在汽車(chē)剎車(chē)盤(pán)方面的安全應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供本發(fā)明提供了一種碳化硅及高熵合金增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法，該方法通過(guò)聲共振技術(shù)以及燒結(jié)工藝實(shí)現(xiàn)了具有模量梯度的鋁合金基體、高熵合金、sic的多層跨尺度仿生核殼結(jié)構(gòu)，不僅制備工藝簡(jiǎn)捷、成本低，所制備的跨尺度仿生核殼結(jié)構(gòu)sic及高熵合金增強(qiáng)耐磨鋁基復(fù)合材料綜合力學(xué)性能（高強(qiáng)高耐磨、良好塑性）優(yōu)異且密度低

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過(guò)下列技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、一種碳化硅及高熵合金增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，包括下述制備步驟：

4、s1：微米2024al合金粉末球形化處理；

5、s2：亞微米高熵合金粉末制備；

6、s3：高熵合金@2024al粉末制備；

7、s4：納米球形sic顆粒制備；

8、s5：sic包覆高熵合金@2024al粉末制備；

9、s6：包套除氣；

10、s7：熱等靜壓燒結(jié)。

11、作為本方案的進(jìn)一步改進(jìn)，

12、所述s1：微米2024al合金粉末球形化處理的具體操作步驟為：

13、s11?將平均粉末尺寸為10~30μm的2024al合金粉末放入球磨罐進(jìn)行低能球磨，轉(zhuǎn)速為150~250轉(zhuǎn)/分鐘，球料質(zhì)量比為5:1~10:1，球磨時(shí)間為8h~24h，球直徑為1.5~3mm；

14、s12?然后將粉末通過(guò)震動(dòng)篩分+氣流分級(jí)方法進(jìn)行篩分，得到粒徑不大于20μm的微米級(jí)球形2024al。

15、作為本方案的進(jìn)一步改進(jìn)，

16、所述s2：亞微米高熵合金粉末制備的具體操作步驟為：

17、將平均粉末尺寸為1~20μm的al、fe、co、cr、ni粉末，放入球磨罐中進(jìn)行高能球磨機(jī)械合金化，其中al含量為5%~30%；fe含量為5~30%，co含量為5~30%；cr含量為5%~30%，ni含量為5%~30%，五種元素共計(jì)100%。球磨轉(zhuǎn)速為350~500轉(zhuǎn)/分鐘，球料質(zhì)量比為10:1~20:1，球磨時(shí)間為20h~100h，球直徑為3mm、5mm、9mm，用量分別為1:3:6。然后將粉末通過(guò)震動(dòng)篩分+氣流分級(jí)方法進(jìn)行篩分，得到粒徑介于500nm?~5μm的亞微米超細(xì)高熵合金粉末；

18、其中，所述球磨介質(zhì)采用氧化鋯材質(zhì)。

19、作為本方案的進(jìn)一步改進(jìn)，

20、所述s3：高熵合金@2024al粉末制備的具體操作步驟為：

21、利用聲共振技術(shù)將s1制備的2024al球形粉末和s2制備的機(jī)械合金化高熵合金粉末進(jìn)行核殼結(jié)構(gòu)包覆處理；

22、2024al球形粉末質(zhì)量比為70%~90%，高熵合金粉末質(zhì)量比為30%~10%；

23、共振頻率采用55~70hz，共振所產(chǎn)生的加速度設(shè)置為60g~80g，其中，1g=9.8m/s2，混合包覆時(shí)間為40~60min，直至高熵合金粉末完全包覆2024al粉末，形成微米級(jí)核殼結(jié)構(gòu)；

24、整個(gè)聲共振處理過(guò)程輸入氬氣進(jìn)行氣體保護(hù)，防止氧化。

25、作為本方案的進(jìn)一步改進(jìn)，

26、所述s4：納米球形sic顆粒制備的具體操作步驟為：

27、利用低溫液氮球磨技術(shù)制備納米球形sic增強(qiáng)相：

28、s41將平均顆粒尺寸為1μm的初始不規(guī)則sic顆粒放入球磨罐進(jìn)行可控低溫球磨處理，轉(zhuǎn)速為400~500轉(zhuǎn)/分鐘，球料比為10：1~20:1，球磨時(shí)間為50h~100h，球直徑為3mm，球磨介質(zhì)均選氧化鋯材質(zhì)；

29、s42隨后將粉末通過(guò)震動(dòng)篩分+氣流分級(jí)方法進(jìn)行篩分，得到粒徑不大于500nm的納米級(jí)近球形sic顆粒。

30、作為本方案的進(jìn)一步改進(jìn)，

31、所述s5：sic包覆高熵合金@2024al粉末制備的具體操作步驟為：

32、再次利用聲共振技術(shù)將第三步制備的高熵合金@2024al球形粉末和第四步制備的納米球形sic顆粒進(jìn)行核殼結(jié)構(gòu)包覆制備；

33、高熵合金@2024al球形粉末質(zhì)量比為80%~90%，sic顆粒質(zhì)量比為20%~10%。共振頻率采用60~70hz，共振所產(chǎn)生的加速度設(shè)置為70g~80g，其中，1g=9.8m/s2，混合包覆時(shí)間為40~60min，直至納米sic完全包覆高熵合金@2024al粉末，形成跨尺度核殼結(jié)構(gòu)；

34、整個(gè)聲共振處理過(guò)程輸入氬氣進(jìn)行氣體保護(hù)，防止氧化。

35、作為本方案的進(jìn)一步改進(jìn)，

36、所述s6：包套除氣具體的操作步驟為：

37、將上述混合好的粉末裝入鋁材質(zhì)包套在420~500℃進(jìn)行高溫除氣處理，當(dāng)包套內(nèi)真空度優(yōu)于3×10-3pa后，對(duì)包套進(jìn)行封焊密封處理。

38、作為本方案的進(jìn)一步改進(jìn)，

39、所述s7：熱等靜壓燒結(jié)具體的操作步驟為：

40、s71?將上述包套放入熱等靜壓爐內(nèi)，以10~40℃/分鐘的升溫速率加熱至480~550℃，同時(shí)包套四周均勻地施加壓力，最終燒結(jié)壓力為200mpa，確保升溫和加壓同時(shí)進(jìn)行并達(dá)到；

41、s72?然后在此條件下保溫保壓燒結(jié)120分鐘，停止加熱、卸除載荷，隨爐冷卻至室溫后破除真空，取出包套，獲得圓柱坯料。

42、一種碳化硅及高熵合金增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，采用碳化硅及高熵合金增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法制得，該碳化硅及高熵合金增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料為跨尺度仿生核殼結(jié)構(gòu)sic及高熵合金增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。

43、本發(fā)明中通過(guò)聲共振技術(shù)，依次將亞微米高熵合金以及納米sic顆粒增強(qiáng)相均勻包覆于2024al合金基體，形成具有模量梯度的跨尺度仿生核殼結(jié)構(gòu)，有效減緩了傳統(tǒng)鋁基復(fù)合材料陶瓷增強(qiáng)相與基體的弱界面問(wèn)題，同時(shí)顯著改善了增強(qiáng)相的分散性不均勻問(wèn)題，避免了應(yīng)力集中，獲得兼顧高強(qiáng)高耐磨以及良好塑性的鋁基復(fù)合材料，有望成為下一代汽車(chē)剎車(chē)盤(pán)材料。

44、本發(fā)明的高純塊體單晶金屬鈦的制備方法，具備下述有益效果：

45、1）低成本輕量化：本發(fā)明使用原料為2024al合金、al、fe等金屬元素粉末、sic粉末，成本低廉、密度小，可實(shí)現(xiàn)剎車(chē)盤(pán)輕量化。

46、2）增強(qiáng)相分散均勻：本發(fā)明采用的聲共振技術(shù)基于聲學(xué)流動(dòng)原理，利用機(jī)械共振產(chǎn)生大振幅振動(dòng)，在內(nèi)部產(chǎn)生聲學(xué)流動(dòng)，使得物料整體被充分流化，產(chǎn)生混合運(yùn)動(dòng)，顯著提升了增強(qiáng)相的分散效果。

47、3）跨尺度模量梯度設(shè)計(jì)減緩界面應(yīng)力集中：本發(fā)明制備的鋁基復(fù)合材料由納米級(jí)sic、亞微米級(jí)高熵合金以及微米級(jí)2024al構(gòu)成跨尺度核殼結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料，其耐磨、抗拉強(qiáng)度等綜合力學(xué)性能優(yōu)異且可調(diào)控。