本發(fā)明涉及合金材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種基于珠母貝仿生結(jié)構(gòu)的非晶-高熵合金雙相復(fù)合材料。

背景技術(shù)：

1、非晶合金是通過極速快冷得到的非晶態(tài)固體，不同于傳統(tǒng)的晶體合金，其內(nèi)部沒有位錯(cuò)、晶界等缺陷，使其屈服強(qiáng)度接近理論極限；但由于塑性變形高度局域化在狹窄的剪切帶上，使其室溫下會(huì)呈現(xiàn)脆性斷裂室；同時(shí)受困于冷速限制，其難以加工成為大型結(jié)構(gòu)件。高熵合金則是一種近年來新興的長程化學(xué)無序，微觀結(jié)構(gòu)拓?fù)溆行虻亩嘀髟辖?，并且在許多極端條件下仍保持著良好的力學(xué)、物理性能。

2、復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料通過物理或化學(xué)方法復(fù)合而成的材料，不同材料之間取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料具有單一材料所不具備的特殊性能，例如：強(qiáng)韌協(xié)同、高強(qiáng)輕質(zhì)等。但傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法常通過“試錯(cuò)”來設(shè)計(jì)材料，很難找到最優(yōu)的幾何構(gòu)型。仿生材料是模仿自然生物特性經(jīng)研究開發(fā)而制成的材料，可以大大減少“試錯(cuò)”成本，同時(shí)因其幾何結(jié)構(gòu)獨(dú)特，表現(xiàn)出出色的綜合力學(xué)性能。其中貝殼等生物材料為適應(yīng)惡劣的外界生存環(huán)境而進(jìn)化出天然防護(hù)盔甲，是理想的防護(hù)材料。交叉層狀式的仿生結(jié)構(gòu)多存在于腹足綱、雙殼綱和掘足綱中的貝殼，其擁有復(fù)雜的微觀層級結(jié)構(gòu)，因此具有很好的延展性。因此可參照交叉層狀式的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出高強(qiáng)、高韌且高防護(hù)性能的理想材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于珠母貝仿生結(jié)構(gòu)的非晶-高熵合金雙相復(fù)合材料。通過模仿珠母貝中的交叉層狀仿生結(jié)構(gòu)來以及fcc相高熵合金與非晶合金的組合，在保留高強(qiáng)度的前提下，大幅提高了材料的室溫塑性；同時(shí)利用3d打印技術(shù)制備也較為方便，又由于其周期性結(jié)構(gòu)，易加工成大型結(jié)構(gòu)件。

2、本發(fā)明的目的采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種基于珠母貝仿生結(jié)構(gòu)的非晶-高熵合金雙相復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

4、步驟1，分別稱取非晶合金粉末和高熵合金粉末，備用；

5、步驟2，將非晶合金粉末和高熵合金粉末按照所設(shè)計(jì)的兩相的空間分布進(jìn)行逐層鋪粉，精確控制每層粉末中兩相的分布區(qū)域；

6、步驟3，通過激光加熱將雙相金屬粉末燒結(jié)固定，然后進(jìn)行下一層鋪粉再次激光燒結(jié)，直至整個(gè)結(jié)構(gòu)打印完畢，最終得到雙相復(fù)合材料。

7、優(yōu)選地，所述步驟1中，非晶合金為zr50cu40al10；高熵合金為crcofemnnitab，其中，高熵合金按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算，包括以下成分：

8、cr：19％、co：19％、fe：19％、mn：19％、ni：19％、ta：4.47％和b：0.53％。

9、優(yōu)選地，所述步驟1中，高熵合金的制備方法包括：

10、s1、稱取原料cr粉、co粉、fe粉、mn粉、ni粉以及tab2粉末作為原料粉末；

11、s2、將各原料粉末按照熔點(diǎn)的大小從上至下放置在真空熔煉爐內(nèi)的熔煉室內(nèi)，即熔點(diǎn)最小的金屬材料放置在最下方，熔點(diǎn)最大的金屬材料放置在最上方，通入氬氣作為保護(hù)氣，將熔煉室抽真空至1-3×10-3pa后，進(jìn)行熔煉，熔煉結(jié)束后，冷卻10-20min后取出合金材料粗坯；

12、s3、將合金材料粗坯以5-10℃/min的速度升溫至850-950℃，保溫處理2-3h，水淬火降溫至室溫；再進(jìn)行多輥軋制，使得下壓量達(dá)到50-70％；在700-800℃的條件下時(shí)效處理24-120h，水淬火降溫至室溫，得到高熵合金。

13、優(yōu)選地，所述tab2粉末的制備方法包括：

14、分別稱取質(zhì)量比為1.81:0.22-0.28的鉭粉和硼粉，粒徑為均5μm，經(jīng)過混合后充分研磨1-2h，壓制成扁平狀的材料，然后置于密閉的高溫反應(yīng)爐內(nèi)，通入氬氣作為保護(hù)氣，設(shè)置壓力為3000-5000mpa，以5-10℃/min的速度升溫至1250-1350℃，處理30-40min后，隨爐冷卻至室溫，得到tab2粉末。

15、優(yōu)選地，所述步驟2中，非晶合金粉末和高熵合金粉末的體積比為0.1-1:0.1-1。

16、優(yōu)選地，所述步驟2中，每層鋪粉厚度為10-100μm。

17、優(yōu)選地，所述步驟3中，激光的功率為220-360w，掃描速度為300-800mm/s，相鄰道次之間的掃描間距為50-80μm。

18、優(yōu)選地，所述步驟3中，雙相復(fù)合材料為交叉疊片結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)包括四級層次：單胞、薄板、骨架和塊體；其中，單胞由兩個(gè)金屬片層組成，幾何尺寸大小可調(diào)控，夾角在在90度到120度之間；薄板則由單胞在二維平面上向兩個(gè)互相垂直的方向x、y(均與單胞中的一個(gè)金屬片層成45度)復(fù)制延伸，最終形成的平面線形點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；骨架則是由多層薄板在其z方向上貼合連接在一起所組成的三維周期性結(jié)構(gòu)；塊體則是將兩相的骨架組合在一起得到的最終的復(fù)合材料。

19、優(yōu)選地，所述步驟3中，雙相復(fù)合材料能夠通過調(diào)控單胞結(jié)構(gòu)的尺寸和夾角，或者兩相不同體積分?jǐn)?shù)占比，使其更加符合工況的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

20、優(yōu)選地，所述步驟3中，單胞中幾何參數(shù)分別為a＝5-20nm，b＝1-5nm，c＝0.5-3nm，θ＝90-120°。

21、更優(yōu)選地，所述步驟3中，單胞中幾何參數(shù)分別為a＝10nm，b＝3nm，c＝1nm，θ＝120°。

22、第二方面，本發(fā)明提供一種基于珠母貝仿生結(jié)構(gòu)的非晶-高熵合金雙相復(fù)合材料，采用上述制備方法制備得到。

23、本發(fā)明的有益效果為：

24、1、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的基于珠母貝仿生結(jié)構(gòu)非晶-高熵合金雙相復(fù)合材料，使用的非晶合金為zr50cu40al10，高熵合金為crcofemnnitab，可以大幅改善傳統(tǒng)非晶合金韌性差、難以加工成大型結(jié)構(gòu)件等缺點(diǎn)，并在一定程度上增強(qiáng)了傳統(tǒng)合金的強(qiáng)度、耐磨性等性能。

25、2、本發(fā)明提供的多級結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了一種兼具區(qū)域結(jié)構(gòu)特性和整體周期性的新構(gòu)型，通過抑制剪切帶的形成與傳遞、裂紋的萌生與擴(kuò)展大幅體高了材料的韌性。而且基本單胞的幾何參數(shù)易于調(diào)控，同時(shí)基于金屬3d打印技術(shù)的制造，使得結(jié)構(gòu)變化豐富，力學(xué)性能和斷裂機(jī)制容易調(diào)控；并且制造難度低，易加工成大型結(jié)構(gòu)件。

26、3、本發(fā)明制備雙相復(fù)合材料中，高熵合金為crcofemnnitab，相比較于常規(guī)的crcofemnni合金，添加了作為tab2增強(qiáng)改性劑，通過晶格畸變效應(yīng)和析出強(qiáng)化機(jī)制，有效地提升了合金的強(qiáng)度。

技術(shù)特征：

1.一種基于珠母貝仿生結(jié)構(gòu)的非晶-高熵合金雙相復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于珠母貝仿生結(jié)構(gòu)的非晶-高熵合金雙相復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟1中，非晶合金為zr50cu40al10；高熵合金為crcofemnnitab，其中，高熵合金按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算，包括以下成分：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于珠母貝仿生結(jié)構(gòu)的非晶-高熵合金雙相復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟1中，高熵合金的制備方法包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于珠母貝仿生結(jié)構(gòu)的非晶-高熵合金雙相復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟2中，非晶合金粉末和高熵合金粉末的體積比為0.1-1:0.1-1。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于珠母貝仿生結(jié)構(gòu)的非晶-高熵合金雙相復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，每層鋪粉厚度為10-100μm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于珠母貝仿生結(jié)構(gòu)的非晶-高熵合金雙相復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟3中，激光的功率為220-360w，掃描速度為300-800mm/s，相鄰道次之間的掃描間距為50-80μm。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于珠母貝仿生結(jié)構(gòu)的非晶-高熵合金雙相復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟3中，雙相復(fù)合材料為交叉疊片結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)包括四級層次：單胞、薄板、骨架和塊體。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于珠母貝仿生結(jié)構(gòu)的非晶-高熵合金雙相復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟3中，單胞中幾何參數(shù)分別為：單元長度a＝5-20nm，單元寬度b＝1-5nm，單元厚度c＝0.5-3nm，單胞兩金屬片之間的夾角θ＝90-120°。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于珠母貝仿生結(jié)構(gòu)的非晶-高熵合金雙相復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟3中，單胞中幾何參數(shù)分別為：單元長度a＝10nm，單元寬度b＝3nm，單元厚度c＝1nm，單胞兩金屬片之間的夾角θ＝120°。

10.一種基于珠母貝仿生結(jié)構(gòu)的非晶-高熵合金雙相復(fù)合材料，其特征在于，所述非晶-高熵合金雙相復(fù)合材料采用權(quán)利要求1所述的制備方法制備得到。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及合金材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種基于珠母貝仿生結(jié)構(gòu)的非晶?高熵合金雙相復(fù)合材料，制備方法包括以下步驟：步驟1，分別稱取非晶合金粉末和高熵合金粉末，備用；步驟2，將非晶合金粉末和高熵合金粉末按照所設(shè)計(jì)的兩相的空間分布進(jìn)行逐層鋪粉，精確控制每層粉末中兩相的分布區(qū)域；步驟3，通過激光加熱將雙相金屬粉末燒結(jié)固定，然后進(jìn)行下一層鋪粉再次激光燒結(jié)，直至整個(gè)結(jié)構(gòu)打印完畢，最終得到雙相復(fù)合材料。本發(fā)明可以大幅改善傳統(tǒng)非晶合金韌性差、難以加工成大型結(jié)構(gòu)件等缺點(diǎn)，并在一定程度上增強(qiáng)了傳統(tǒng)合金的強(qiáng)度、耐磨性等性能。

技術(shù)研發(fā)人員：徐宗睿,練彬
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東莞市三航軍民融合創(chuàng)新研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15