金刚石颗粒增强的高熵合金复合材料的制备方法-科创中国●保定云

金刚石颗粒增强的高熵合金复合材料的制备方法

成果描述

金刚石颗粒增强的高熵合金复合材料的制备方法，属于金属基复合材料制备领域。其特征是带有原位加热样品台的真空涂层制备设备将金刚石颗粒表面进行高熵合金金属化处理，使其表面生成高熵合金涂层。其中涂层的合金成分为Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、W、Mo七中元素中的任意四种元素或五种元素或六种元素以等原子比例配比所得的合金成分。所得的涂层与金刚石颗粒表层原位生成碳化物膜，同时高熵合金覆盖在碳化物膜上，保证了其与金刚石的结合强度。本发明获得的金刚石颗粒增强高熵合金复合材料的性能如强度、硬度、耐磨性、导热性等均得到有效提高。

应用范围

金刚石是迄今为止世界上已发现的最硬的材料，同时由于其具有优异的硬度、刚度、耐磨性和热稳定性能，因而被广泛应用于各种切磨工具中，如磨具、刀具、模具及量具等。工业上常将金刚石颗粒作为增强相来提高材料的力学性能、导热性能等，如金刚石颗粒增强的铝基复合材料。但是，金刚石与传统金属之间的润湿性极差、热膨胀系数差别大，因此，这类复合材料通常存在界面问题，导致其性能降低。为此，优化提高金刚石与基体之间界面结合性能成为改善这类复合材料宏观性能的关键之一。常用表面改性法在金刚石颗粒表面涂敷或包覆一层改性层，用以改善金刚石颗粒与基体之间界面结合性能。目前，金刚石颗粒表面改性的方法有很多，如化学镀、电镀，真空微蒸发镀、化学气相沉积、磁控溅射等。如专利（CN 110438457 A）、文献（中国有色金属学报DOI：10.11817/j.ysxb.1004.0609.2021‑ 42057）等通过磁控溅射、多弧离子镀工艺镀等工艺在金刚石表面制备Mo、W、Cr、Ti、Zr等涂层，进而应用于制备高导热率的铜基复合材料。但是，这类方法通常需要后处理加热以提高涂层与金刚石的结合力，否则涂层与金刚石颗粒的界面结合性能不能得到保障。

高熵合金（5种或以上金属元素按照等原子比混合成制备的合金）因其独特的成分和晶体结构，具有传统金属材料不可比拟的优异性能，如高强度、高硬度、高耐磨性等。因此，这类材料在工程领域具有重要的应用前景，已成为国内外研究者追捧的热点材料之一。另一方面，与碳亲和力强的元素（如Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、V、Mo等）常被用于制备碳化物陶瓷。碳化物（如TiC、HfC、TaC等）具有高熔点、高硬度、耐磨性好、耐腐蚀性能等优点。然而。迄今为止，没有将金刚石、高熵合金的优点结合起来制备出金刚石颗粒增强的高熵合金复合材料的报道。

本发明属于金属基复合材料领域，具体涉及金刚石颗粒增强的高熵合金基复合材料的制备方法。

前景分析

与现有技术相比，本发明以亲碳元素熔制的高熵合金为靶材，利用带加热台的磁控溅射、或者等离子表面冶金技术设备首先在金刚石表面制备出高熵合金涂层。由于采用的高熵合金靶材元素与碳元素的亲和力强，在制备涂层过程中，高熵合金涂层与金刚石首先反应生成金属碳化物、随后金属碳化物阻止金刚石与高熵合金涂层反应，因此就形成了金刚石颗粒表面包覆高熵碳化物层、碳化物层表面包覆高熵合金涂层的结构。

将覆盖高熵合金涂层的金刚石颗粒加入高熵合金基体中，获得金刚石增强的高熵合金基复合材料。

本发明能提高基体材料与增强相的结合强度，使获得的金属材料不仅具有高熵合金材料的高强度、高硬度等特点，而且具有金刚石高耐磨性、高导热性的优点。

本发明获得的高熵合金涂层与金刚石颗粒润湿性好、结合强度高。

本发明将所得金刚石颗粒作为增强相加入高熵合金基体中，获得的高熵合金复合材料的性能如强度、硬度（HV0.3 为360‑ 700）、耐磨性、导热性等均得到有效改善。

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