導讀
透過粉末冶金的方法制備AlFeCrCoCu高熵合金顆粒(HEAp)增強鋁基複合材料，研究高熵合金質量分數對AlFeCrCoCu/ZL109複合材料的微觀組織和效能的影響。結果表明，高熵合金顆粒均勻定向的分佈在基體中，增強體與基體結合良好，高熵合金含量過多會導致顆粒團聚。當高熵合金的質量分數為15%時，複合材料的抗拉強度最佳，為414 MPa，相比基體提高了128%；高熵合金質量分數為20%時，複合材料的硬度最大，熱膨脹係數最低，最大硬度(HV)為154.8，相比基體提高了179.9%。高熵合金顆粒能有效的提高鋁合金的強度和硬度，可透過調整高熵合金含量獲得所需熱膨脹係數的複合材料。
關鍵詞：金屬基複合材料；高熵合金；微觀組織；機械效能；熱膨脹係數
活塞作為汽車發動機的重要材料，需要具有合適的強度、硬度、耐磨性、熱膨脹性等效能。ZL109鋁合金被應用於活塞製造，但在硬度和抗拉強度等方面已經無法滿足當前的技術要求。早在20世紀80年代，已有了將氧化鋁纖維作為增強體增強鋁合金活塞材料的報道，並進行量化生產。近年來，對於鋁合金基複合材料的研究多以SiO2、Al2O3、SiC等陶瓷顆粒作為增強體，其物理和化學性質與鋁合金都存在較大的差異，導致複合材料的整體效能較差，限制了其作為結構材料在工程方面的應用。當增強體SiC顆粒的含量增加時，鋁合金基複合材料的硬度和抗拉強度效能均有所提高，但延展性降低。高熵合金作為特殊的新合金體系，具有高強度、高硬度以及高熱穩定性等優異的綜合性能，是當今材料的研究熱點之一。這主要是由於高熵合金與鋁合金基體之間具有天然介面潤溼性和良好的介面相容性，因此，高熵合金作為增強體制備鋁基複合材料引起了人們的廣泛關注。但到目前為止，高熵合金增強鋁合金基複合材料的研究相對較少，且暫未發現關於高熵合金增強ZL109的相關報道，因此，高熵合金增強鋁合金基複合材料的強韌化行為及機理需進一步研究。
採用機械合金化方法制備AlFeCrCoCu高熵合金,基體為ZL109鋁合金粉末，成分見表1。採用球磨法將質量分數為5%、10%、15%、20%的AlFeCrCoCu顆粒與ZL109鋁合金粉末混合均勻，轉速為160 r/min，時間為90 min；採用YLX32-100四柱式液壓機以60 MPa壓力冷壓成形；在普通箱式燒結爐中用氬氣氣氛保護進行燒結，溫度控制在ZL109鋁合金熔點附近，燒結溫度為570 ℃，保溫40 min；再將燒結後的試樣加熱到550 ℃，並在30 MPa的壓力下熱壓變形處理。
1 AlFeCrCoCu高熵合金 XRD分析
未球磨時，AlFeCrCoCu高熵合金所有元素所對應的衍射峰在圖譜中均有顯示；當球磨時間至10 h時，各個元素的相對峰強基本上都有所減弱，Al元素所對應的衍射峰基本消失，表明Al元素優先進行合金化。這是因為在高能球磨時，熔點低的合金元素將最先進行合金化，當元素的熔點相近時，硬且脆的元素將優先進行合金化。隨著球磨時間的增加，單質元素對應峰越來越少，部分峰的強度開始增加，主要是由於在高能球磨的過程中，粉末在磨球的撞擊下發生原子固溶；球磨時間增加至20 h和30 h時，XRD圖譜無明顯變化，表明元素合金化基本完成。AlFeCrCoCu合金內部的高混合熵效應使得系統的混合熵大於合金形成金屬間化合物的焓變，抑制了金屬間化合物的形成，從而促使合金形成簡單固溶體。透過XRD分析，AlFeCrCoCu高熵合金由大量BCC簡單晶體結構的固溶體和少量的FCC簡單晶體結構的固溶體組成，BCC是由Al與Co、Fe與Cr固溶形成的，從FCC相的峰位可知，FCC富含Cu元素（FCu-FCC）。
圖1 不同球磨時間下的AlFeCrCoCu高熵合金XRD衍射圖
2 AlFeCrCoCu/ZL109複合材料XRD和顯微組織分析
複合材料在燒結的過程中出現少量的新相Al13Co4。此外，在衍射圖譜中，增強體含量為5%時，Al(111)峰和Al(220)峰的相對強度明顯不同於Al的標準PDF卡片，隨著增強體含量的增加，Al(111)峰和Al(220)峰的相對強度與標準卡片接近一致。隨著增強體含量增加，變形減小，晶粒擇優取向被抑制，因此，增強體質量分數為20%時，Al(220)的峰強明顯降低。
圖2 (AlFeCrCoCu)x/ZL109複合材料的XRD衍射圖
當高熵合金含量較低時，增強體顆粒與基體結合良好，複合材料的微觀組織沿著一定方向均勻的分佈在基體中；隨著增強體質量分數的增加，高熵合金增強體在基體中分佈變得不均勻且方向性逐漸變差，當增強體質量分數為20%時，出現大量的增強體顆粒團聚以及孔洞。這是因為在熱壓變形處理時，基體原子沿最密集晶面發生滑移的過程中帶動了增強體顆粒的定向遷移，使得增強體定向排布，增強體顆粒分佈更加均勻；但當高熵合金含量較高時，增強體阻礙基體的塑性變形，使得團聚明顯，孔洞增加。這與圖2中的XRD衍射圖結果相符合。
（a）5%
（c）15%
（b）10%
（d）20%
圖3 (AlFeCrCoCu)x/ZL109複合材料的顯微組織
3複合材料力學效能和斷口形貌
AlFeCrCoCu/ZL109複合材料的顯微硬度隨著增強體含量的增大而變大。當增強體質量分數為0時，即基體的顯微硬度（HV0.1）為55.3，當增強體含量為20%時，顯微硬度達到最大為154.8。表明高熵合金能顯著提高鋁合金的顯微硬度。
圖4 (AlFeCrCoCu)x/ZL109複合材料的顯微硬度
隨著增強體含量的增加，複合材料的抗拉強度出現先增大後減小的趨勢；當增強體質量分數為15%時，複合材料的抗拉強度達到最大，為414 MPa，相比基體的抗拉強度提高了128.7%。高熵合金作為增強體對鋁合金的力學效能的改善非常明顯，其原因有三：一是透過機械合金化製備的高熵合金粉末尺寸較小，細小的合金粉末均勻地分佈在基體中能有效的阻礙位錯運動，提高材料的變形抗力；二是高熵合金本身具有高的強度和硬度，能很好的抵制外界透過基體轉移來的變形力；三是熵合金與鋁合金基體之間的都是金屬，因此與基體材料之間能夠實現較好的冶金結合。但高熵合金含量過多時，材料效能下降。
圖5 (AlFeCrCoCu)x/ZL109複合材料的應力-應變曲線
圖6為增強體含量不同時，AlFeCrCoCu/ZL109複合材料拉伸斷口的SEM形貌。由圖6a可知，當增強體含量較少時，斷口形貌中存在大量的等軸狀韌窩，這些韌窩是由基體內的微孔在拉伸過程中聚合而成，這種由微孔聚集發生的斷裂是典型的韌性斷裂。隨著增強體含量繼續增加，斷口形貌中韌窩變淺且數量不斷減少，出現了顆粒的斷裂、裂紋以及顆粒從介面脫出粘結等現象，表明材料的延展性正在降低。由圖6d可知，當增強體含量增加至20%時，斷口中出現大量的解理臺階和撕裂稜，這種由穿晶斷裂和韌性撕裂共同導致的斷裂方式是典型的準解理斷裂。這是由於，隨著增強體含量的增加，阻礙位錯運動，導致材料的塑性變形能力降低，最終出現穿晶斷裂；另外，增強體的增加易發生團聚，形成大尺寸顆粒及孔洞，由高熵合金顆粒團聚形成的大尺寸顆粒冶金結合能力較差，更容易斷裂。因此，增強體含量由5%增加至20%的過程中，複合材料由韌性斷裂轉化成準解理斷裂，這種變化與應力-應變曲線一致。
（a）5%
（c）15%
（b）10%
（d）20%
圖6 (AlFeCrCoCu)x/ZL109複合材料的拉伸斷口的SEM形貌
4熱膨脹係數
圖7和圖8分別是不同質量分數下AlFeCrCoCu/ZL109複合材料的熱膨脹係數和膨脹量隨著測試溫度的變化曲線。由圖7可知，隨著增強體顆粒含量的增加，複合材料的熱膨脹係數逐漸減小，即相同測試溫度下，AlFeCrCoCu/ZL109複合材料的熱膨脹量隨著高熵合金含量的增加而降低（見圖8），表明高熵合金可以有效地減少基體材料的熱膨脹係數。複合材料的熱膨脹係數隨著增強體含量的增加而減少的原因有兩個:一是高熵合金的熱膨脹係數遠低於ZL109鋁合金的，由複合材料的混合定律可知，複合材料的熱膨脹效能介於增強體和基體材料之間；其次，在熱壓形變的過程中形成的形變織構能增大熱膨脹係數，而高熵合金能有效地阻礙形變織構的形成，這與AlFeCrCoCu/ZL109複合材料XRD和顯微組織呈現的結果一致。因此，可以透過調節高熵合金的含量獲得具有所需熱膨脹效能的複合材料。另外，複合材料的熱膨脹係數曲線隨著測試溫度的升高先增大後減小見圖7。這是因為溫度較高時，鋁合金中的Si促使Al的固溶能力提高，Al的晶格常數降低，從而導致複合材料的熱膨脹係數降低。其次，高溫下高熵合金與基體之間產生較大的熱應力，阻礙了基體的膨脹。
圖7 (AlFeCrCoCu)x/ZL109複合材料的熱膨脹係數
圖8 AlFeCrCoCu/ZL109複合材料下的熱膨脹量
5結論
（1）採用粉末冶金方法制備的AlFeCrCoCu/ZL109鋁基複合材料，經熱壓變形處理後，增強體顆粒定向均勻的分佈在基體中，增強體質量分數為20%時，出現顆粒團聚及孔洞。
（2）粉末冶金方法制備的AlFeCrCoCu/ZL109鋁基複合材料，隨著增強體的增加，複合材料的抗拉強度先增大後減小，而複合材料的硬度逐漸增加。當增強體質量分數為15%時，複合材料抗拉強度最大為414 MPa，相比基體提高了128.7 %；當增強體質量分數為20%時，複合材料的硬度（HV0.1）最大為154.8，相比基體提高了179.9%。
（3）AlFeCrCoCu/ZL109鋁基複合材料的熱膨脹係數隨著增強體質量分數的增加逐漸下降，可以透過調節增強體的含量獲得具有特定熱膨脹係數的複合材料。
文獻引用：葉超，龍威，周小平. AlFeCrCoCu顆粒增強鋁合金的組織與效能研究[J].特種鑄造及有色合金，2021，41（7）：858-862.
