AlNbTaZr-Al2O3耐火高熵合金增强Al6061金属基复合材料的微观结构与力学性能研究

为解决传统陶瓷增强铝基复合材料界面结合弱、热膨胀失配等问题，研究人员创新性地采用AlNbTaZr-Al2O3耐火高熵合金（RHEA）粉末增强Al6061基体，通过机械合金化和搅拌铸造制备复合材料。研究显示，该材料拉伸强度提升69.4%，摩擦系数稳定在0.45-0.55，显著优于传统增强材料，为航空航天等领域提供了高性能轻量化解决方案。

　　

在航空航天和汽车工业对轻量化、高强度材料的迫切需求下，传统铝基复合材料因陶瓷增强体的脆性、界面结合差等问题面临性能瓶颈。如何突破强度与韧性的"此消彼长"困境，成为材料科学领域的重大挑战。印度Thangal Kunju Musaliar工程学院机械工程系的研究团队独辟蹊径，将具有独特性能的耐火高熵合金（RHEA）引入铝基复合材料体系，相关成果发表在《Results in Surfaces and Interfaces》上。

研究采用机械合金化30小时制备AlNbTaZr-Al₂O₃粉末，通过搅拌铸造工艺将其与Al6061基体复合。关键技术包括X射线衍射（XRD）分析相演变、透射电镜（TEM）表征纳米结构、光学显微镜观察动态再结晶（DRX）行为，以及摩擦磨损测试评估性能。

【3.1 XRD分析】显示随着球磨时间延长，衍射峰宽化并偏移，表明晶粒细化至纳米级（246.7nm）和晶格畸变加剧。复合材料中Al（111）晶面保持面心立方结构，但峰位偏移证实RHEA粒子引起的内应力。

【3.2 粉末形貌】SEM显示30小时球磨后形成片状团聚体，EDS证实Al、Nb、Ta、Zr元素均匀分布，冷焊效应导致颗粒聚集。

【3.3 TEM分析】SAED图谱呈现多晶环状衍射，平均晶粒尺寸246.7nm，最大385.1nm，与XRD结果一致。

【3.4 显微组织】光学显微镜显示RHEA粒子促进动态再结晶，通过粒子激发形核（PSN）机制使晶粒显著细化，Zener钉扎效应抑制晶界迁移。

【3.5 BSE图像】显示强化相均匀分布于晶内，超声处理产生的空化效应改善润湿性，避免颗粒偏聚。

力学性能方面：【3.6.1 拉伸强度】达164.2MPa，较纯Al6061提高69.4%，优于SiC增强体系（157MPa）。【3.6.2 压缩性能】极限抗压强度335.3MPa，提升42%，归因于Orowan强化和位错增殖。【3.6.3 硬度】50.34BHN，提高67.8%。【3.6.4 磨损性能】摩擦系数0.45-0.55，在80kN载荷下仍低于纯Al6061（20kN时0.57），归功于RHEA形成保护性摩擦膜。

这项研究开创性地将RHEA作为铝基复合材料的强化相，通过多尺度协同作用破解了传统材料强度-韧性难以兼得的困局。其创新性体现在：①利用高熵合金的晶格畸变和缓慢扩散特性实现高温稳定性；②通过DRX和PSN机制获得超细晶组织；③摩擦过程中原位生成自润滑氧化层。该复合材料在航空发动机部件、高速列车制动系统等极端工况下展现出巨大应用潜力，为新一代结构-功能一体化材料设计提供了新范式。