AlCoCrFeNi高熵合金填充量对摩擦搅拌加工制备的铜基复合材料微观结构和力学性能的影响

《Materials Characterization》：Effect of AlCoCrFeNi 2.1 high entropy alloy filling content on the microstructure and mechanical properties of copper matrix composites fabricated by friction stir processing

AlCoCrFeNi?.?高熵合金颗粒通过摩擦搅拌加工制备了三种体积分数（10%、20%、30%）的铜基复合材料，研究显示颗粒含量增加显著提升显微硬度（30%时达基材41%）和抗拉强度（89%），同时摩擦系数降低至0.298，磨损率降至基材的13%，微观结构显示均匀分散和晶粒细化（平均2.29μm），界面形成BCC/FCC双相扩散层（厚度达2.4μm）。

　　本研究聚焦于通过摩擦搅拌加工（FSP）技术制备含不同高熵合金（HEA）颗粒的铜基复合材料（CMCs），以提升其低强度和较差的耐磨性。采用T2铜作为基体材料，以AlCoCrFeNi?.?高熵合金颗粒作为增强相，成功制备了体积分数分别为10%、20%和30%的CMCs。研究深入探讨了HEA颗粒含量与复合材料微观结构、机械性能及耐磨性之间的关系。实验结果表明，随着HEA颗粒含量的增加，复合材料的微观硬度和抗拉强度显著提升，其中30% HEA填充的CMCs相比基体材料表现出最显著的性能增强，其硬度提升了41%，抗拉强度提高了89%。此外，耐磨性也随HEA填充量的增加而逐步改善，30%填充量的样品表现出最低的摩擦系数（0.298）和最窄的磨损轨迹，计算得到的磨损率仅为1.321×10?? mm3/N·m，远低于T2铜的10.214×10?? mm3/N·m，显示出显著的耐磨性提升。这一研究为高性能铜基复合材料的制造提供了新的思路和方法。

铜是一种在自然界中广泛存在的非铁金属，以其优异的导电性、低电阻和出色的导热性而闻名，因此被广泛应用于多个工业领域。然而，纯铜在强度方面存在明显不足，特别是在高温等极端条件下，其性能会受到较大限制。此外，纯铜的硬度较低，耐磨性较差，这在一定程度上制约了其更广泛的应用。为了解决这些问题，研究者们通常通过在基体材料中添加增强相来制备铜基复合材料。这种方法不仅能够增强材料的强化机制，还能显著提高材料的强度、硬度和耐磨性，从而拓展了铜及其合金在工业中的应用潜力。

目前，全球范围内的研究人员普遍采用多种增强相来提升铜基复合材料的性能。例如，Elmahdy等人通过添加ZrO?颗粒制备了均匀的Cu-ZrO?复合材料，结果显示在ZrO?质量分数为10%时，复合材料的硬度和压缩强度有所提高，但密度和导电性则相应下降。另一些研究则采用激光烧结、粉末冶金和挤压铸造等工艺来制备Cu/TiB?复合材料，但这些方法往往伴随着材料界面结合力不足的问题，因为TiB?与熔融铜之间的润湿性较差，导致复合材料中出现气孔和裂纹等缺陷。Qin等人通过粉末冶金技术制备了SiC颗粒增强的铜基复合材料，虽然陶瓷颗粒有效提升了材料的硬度，但其塑性韧性却有所下降。这些研究共同表明，传统增强相在提升铜基复合材料性能方面存在一定的局限性，尤其是在材料界面结合和热膨胀系数差异方面的问题，可能会导致结构完整性受损，进而影响复合材料的整体性能。

近年来，高熵合金（HEAs）因其独特的元素复杂性和卓越的性能而受到广泛关注。HEAs的微观结构特征，如晶格畸变和缓慢扩散效应，使得其在高温、氧化、腐蚀和耐磨性等方面表现出色。相较于传统的颗粒增强方法，HEAs在增强界面结合和机械性能方面具有明显优势。许多研究已经成功展示了HEAs作为增强相在高性能铜基复合材料中的应用潜力。例如，Liu等人采用火花等离子烧结技术制备了HEA/Cu复合材料，并在热挤压前进行了不同时间的预热处理。他们的研究发现，随着预热时间的增加，复合材料的屈服强度和延展性先升高后下降，表明预热时间对复合材料性能具有重要影响。Chen等人则通过粉末冶金技术制备了AlCoNiCrFe HEA增强的铜基复合材料，研究指出在粉末冶金过程中，AlCoNiCrFe HEA能够保持其微观结构的完整性，没有出现晶粒生长或金属间化合物的形成。这些研究进一步验证了HEAs在铜基复合材料中作为增强相的独特优势，特别是在提升材料的机械性能和耐磨性方面。

尽管HEAs在铜基复合材料中展现出良好的增强效果，但现有的研究仍面临一些挑战。例如，部分研究显示在复合材料制备过程中，HEA中的某些元素可能会从固溶体中析出，尤其是在加工温度超过临界值时，这些析出的元素可能与铜基体发生显著的化学反应，从而形成大量的金属间化合物。这种化学变化不仅可能破坏增强相的结构完整性，还可能显著降低界面结合强度，最终影响复合材料的整体性能。因此，如何在制备过程中有效控制HEA元素的析出和反应，成为当前研究的一个重要课题。

近年来，摩擦搅拌加工（FSP）作为一种新型的制备技术，已被广泛应用于金属基复合材料的制造。FSP技术通过工具旋转产生的摩擦热，使材料局部温度升高至再结晶范围，同时，强烈的塑性变形会在晶粒内部引入大量位错。随着变形的进行，位错逐渐积累并相互纠缠，形成高密度的位错结构，进而将晶粒分割成多个亚晶界，最终演化为新的晶界。在更高的应变条件下，孪晶也可能发生，孪晶界作为额外的晶界来源，进一步促进晶粒细化。最终，摩擦热和持续变形的综合作用使得新形成的晶粒生长并取代原有的粗晶粒，从而形成均匀且细小的再结晶微观结构。相比传统的铸造和粉末冶金技术，FSP在提升机械性能、细化微观结构和增强材料均匀性方面具有独特的优势。它不仅能够减少高温加工过程中可能引发的热损伤，还能实现增强相在基体中的均匀分布，避免颗粒聚集。然而，目前大多数关于FSP制备金属基复合材料的研究主要集中在铝、镁等金属基体上，针对铜基体的研究相对较少。这表明，在铜基复合材料的制备领域，FSP技术仍有较大的探索空间。

在本研究中，AlCoCrFeNi?.?高熵合金因其较高的镍含量而展现出显著的高温强度、抗氧化性、抗腐蚀性和耐磨性。这些特性使其成为一种理想的增强相，能够有效提升铜基复合材料的综合性能。研究采用FSP技术，通过调整HEA颗粒的填充量，成功制备了具有不同性能表现的铜基复合材料。通过详细的微观结构表征和系统性的界面结合强度评估，研究团队深入分析了HEA填充量对复合材料微观结构和性能的影响。研究发现，随着HEA填充量的增加，复合材料的微观结构逐渐细化，界面结合强度也相应提高。尤其是在30%填充量的情况下，HEA颗粒与铜基体之间的界面结合更为紧密，从而显著提升了材料的机械性能和耐磨性。这些结果不仅验证了HEA作为增强相在铜基复合材料中的有效性，也为未来进一步优化HEA填充量和加工参数提供了重要的实验依据。

在制备过程中，研究团队采用了特定的工艺路线，确保HEA颗粒能够均匀分布在铜基体中。具体而言，首先将T2铜板熔化，并在真空或保护气氛下进行铸造，随后将AlCoCrFeNi?.?高熵合金粉末加入熔融金属中，形成均匀的混合物。接着，通过摩擦搅拌加工技术，将混合材料加工成所需的复合材料。整个过程的关键在于如何在不破坏HEA颗粒结构的前提下，实现其与铜基体的充分结合。研究发现，FSP过程中产生的高温和塑性变形不仅有助于HEA颗粒的均匀分散，还能促进铜基体的再结晶和晶粒细化，从而形成更加致密和均匀的微观结构。此外，研究还通过光学显微镜和扫描电镜等手段对复合材料的微观结构进行了详细分析，揭示了不同填充量下HEA颗粒与铜基体之间的界面演变过程。

在微观结构方面，研究团队发现，随着HEA填充量的增加，复合材料的晶粒尺寸显著减小，特别是在搅拌区（NZ）内，晶粒细化效果尤为明显。当HEA填充量达到30%时，搅拌区的平均晶粒尺寸仅为2.29 μm，显示出明显的晶粒细化趋势。此外，在铜基体与HEA颗粒之间的界面处，形成了由体心立方（BCC）和面心立方（FCC）结构组成的双相扩散层。这种扩散层的厚度随着HEA填充量的增加而逐渐增大，达到30%填充量时，其厚度可达2.4 μm。这一现象表明，HEA颗粒与铜基体之间发生了一定程度的元素扩散和界面反应，从而形成了稳定的界面结构。这种界面结构不仅有助于提高材料的结合强度，还能够有效抑制裂纹的扩展，提升材料的力学性能和耐磨性。

在机械性能方面，研究团队通过拉伸试验和显微硬度测试对复合材料进行了系统评估。结果显示，随着HEA填充量的增加，复合材料的显微硬度和抗拉强度均显著提升。特别是在30%填充量的情况下，显微硬度和抗拉强度分别比基体材料提高了41%和89%。这一性能提升主要归因于HEA颗粒的均匀分布和晶粒细化效应。HEA颗粒的加入不仅提供了额外的强化相，还通过晶界强化机制提高了材料的整体强度。此外，研究还发现，HEA颗粒的引入显著改善了材料的塑性变形能力，使其在保持高强度的同时，仍具备一定的延展性。这种性能的平衡对于实际应用中的复合材料尤为重要，因为它能够在承受复杂载荷和环境变化的同时，保持良好的结构稳定性。

在耐磨性方面，研究团队通过摩擦磨损试验对不同填充量的复合材料进行了系统评估。实验结果显示，随着HEA填充量的增加，复合材料的耐磨性逐步提高。在30%填充量的情况下，摩擦系数降低至0.298，磨损轨迹宽度也显著减小，显示出最佳的耐磨性能。这一结果表明，HEA颗粒的加入不仅能够提高材料的硬度和强度，还能够有效改善其表面特性，从而增强其在摩擦条件下的表现。研究进一步指出，HEA颗粒的引入可能通过形成稳定的界面扩散层，以及促进铜基体的再结晶和晶粒细化，来增强材料的耐磨性。此外，HEA颗粒的高硬度和耐磨性特性也能够在摩擦过程中起到一定的磨损抑制作用，从而延长材料的使用寿命。

本研究的成果不仅为高性能铜基复合材料的制备提供了新的思路，还为未来进一步优化HEA填充量和加工参数提供了重要的实验依据。通过FSP技术，研究人员能够实现HEA颗粒在铜基体中的均匀分布，同时避免传统加工方法中可能出现的界面结合不良和结构缺陷等问题。此外，研究还揭示了HEA填充量对复合材料微观结构和性能的显著影响，表明在特定填充量范围内，HEA颗粒能够有效提升材料的综合性能。这一发现对于推动铜基复合材料在高温、高磨损等严苛环境下的应用具有重要意义。

从更广泛的角度来看，本研究的成果为高熵合金在金属基复合材料中的应用提供了新的可能性。HEAs的元素复杂性和独特的微观结构使其在多种性能方面具有显著优势，而FSP技术则为实现这些优势提供了高效的加工手段。未来的研究可以进一步探索不同HEA成分和填充量对复合材料性能的影响，以及如何通过优化加工参数来提升HEA与铜基体之间的界面结合强度。此外，还可以结合其他先进的加工技术，如激光烧结或3D打印，以实现更复杂的微观结构设计和更高效的材料制备。这些研究不仅有助于拓展HEAs的应用范围，还可能为开发新型高性能材料提供理论支持和技术指导。

本研究还强调了HEAs在铜基复合材料中作为增强相的独特优势。与传统的陶瓷或金属颗粒相比，HEAs在提升材料强度和耐磨性的同时，还能保持良好的导电性和导热性，这对于某些需要高导电性的应用场景尤为重要。例如，在电子器件、热交换器和精密机械部件等领域，材料的导电性和导热性往往是关键性能指标之一。因此，HEAs的引入不仅能够提升材料的机械性能，还能够在不牺牲其导电性和导热性的前提下，实现更全面的性能优化。这一特点使得HEAs在铜基复合材料的制备中具有更高的应用价值。

此外，研究团队还探讨了HEA填充量对复合材料微观结构和性能的系统影响。通过对比不同填充量下的复合材料，研究人员发现，HEA颗粒的含量与材料的晶粒尺寸、界面结合强度以及耐磨性之间存在密切的正相关关系。这表明，HEA填充量的增加不仅能够提升材料的硬度和强度，还能促进材料的再结晶过程，使其微观结构更加均匀和致密。这种均匀的微观结构有助于减少材料内部的应力集中，从而提高其在复杂工况下的稳定性。同时，研究还指出，HEA颗粒的引入可能对铜基体的塑性变形行为产生一定的影响，使其在承受载荷时表现出更好的延展性和韧性。

在实际应用中，铜基复合材料的性能提升对于许多行业具有重要意义。例如，在航空航天领域，材料需要在高温和高应力条件下保持良好的机械性能和耐磨性；在电子制造行业，材料的导电性和导热性是关键性能指标；在汽车和机械制造领域，材料的强度和耐磨性直接影响产品的使用寿命和可靠性。因此，通过HEAs的引入和FSP技术的优化，研究人员有望开发出一种新型的高性能铜基复合材料，能够满足这些行业对材料性能的更高要求。

综上所述，本研究通过摩擦搅拌加工技术成功制备了不同HEA填充量的铜基复合材料，并系统分析了其微观结构、机械性能和耐磨性。研究结果表明，HEA颗粒的加入能够显著提升材料的综合性能，尤其是在30%填充量的情况下，材料的硬度、强度和耐磨性均达到最佳状态。这些发现不仅为铜基复合材料的制造提供了新的方法，还为未来进一步优化HEA增强相的性能和加工工艺奠定了坚实的基础。此外，研究还强调了HEAs在铜基复合材料中的独特优势，为推动其在更多领域的应用提供了理论支持和技术指导。通过不断探索和优化，HEAs有望成为一种理想的增强相，为高性能材料的开发开辟新的方向。