高熵合金增强铜基复合材料的微观组织及性能的研究

作     者：刘星辉 

作者单位：长春工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱巍巍;李维俊

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：铜基复合材料 高熵合金 放电等离子烧结 力学性能 摩擦磨损性能 

摘      要：铜基复合材料作为最常见的金属基复合材料之一,有着高导电率、高导热性、较好的耐腐蚀性、自润滑性等优良性能,被广泛应用于各个领域。其中,陶瓷颗粒等是最常见的增强相,其存在着与铜基体界面润湿性差,界面结合不好等问题,这会对铜基复合材料的性能产生不利影响。常见的改善增强相与基体界面结合的方法如化学镀、磁控溅射法、原位反应法等方法有着工艺流程复杂,投入成本较高等缺点。而高熵合金是一种具有高强度高硬度的新型合金材料,与金属基体之间存在着天然的界面相容性优势,作为铜基复合材料的增强相具有很好的应用前景。本文采用Co Cr Fe Ni Mo高熵合金作为增强相,利用放电等离子烧结(SPS)技术制备铜基复合材料,以简化工艺流程,同时获得高性能的铜基复合材料。 本文首先以粒径为5～7μm的铜粉以及粒径为10～25μm的气体雾化高熵合金粉为原料,制备了高熵合金/Cu复合材料,并研究了高熵合金含量对于高熵合金/Cu复合材料微观组织及性能的影响。结果表明,高熵合金颗粒与Cu基体在烧结过程中会形成扩散层,两者形成了良好的界面连接。随着高熵合金含量的增加,高熵合金/Cu复合材料的硬度提高,但导电率明显下降,复合材料的摩擦系数和磨损率逐渐减小。主要磨损方式由磨粒磨损和黏着磨损逐渐转变为氧化剥层磨损。高熵合金/Cu复合材料的抗拉强度随着高熵合金含量的增加呈现出先升高后不变的趋势。当高熵合金的含量为15 wt.%时,抗拉强度达到最大,此时的抗拉强度为424 MPa,延伸率为16.1%,但导电率仅为22.1 MS/m,约为同工艺条件下制得纯铜的39.5%。 为兼顾复合材料的导电性与力学性能,本文提出使用低含量、小尺寸的高熵合金粉作为增强相。本文通过真空球磨技术制备了尺寸为0～5μm的高熵合金粉用于制备铜基复合材料。结果表明,尺寸较小的高熵合金具有更好的强化效果。当其含量为5wt.%时,复合材料的抗拉强度可达393 MPa,导电率约为40.3 MS/m。但相较于添加同含量气体雾化的粉末,使用球磨后的高熵合金粉会使复合材料的延伸率明显降低。 为了改善高熵合金/Cu复合材料的强塑性匹配,本文在原铜粉的基础上添加粒径为45～105μm的粗铜粉以提高复合材料的延伸率。结果表明,通过添加粗铜粉颗粒,可以有效地改善复合材料的强塑性匹配,获得强度较高且延展性较好的复合材料。当粗铜粉含量为20 wt.%时,高熵合金/Cu复合材料的抗拉强度、延伸率和导电率分别为441.8 MPa、22.3%和44.2 MS/m。