一种含有梯度纳米结构的镍基合金及其制备方法技术

本发明专利技术记载了一种含有梯度纳米结构的镍基合金及其制备方法，涉及纳米结构金属材料技术领域。该镍基合金表层的组织结构为梯度纳米结构：镍基合金的表层结构从外至内由纳米晶结构逐渐转化为纳米孪晶结构，最后逐渐转变为粗晶结构，这种梯度纳米结构使得镍基合金具有高强度的特点。该方法是利用表面机械滚压处理，从而在镍基合金表层制备出梯度纳米结构。所述梯度纳米结构中纳米晶结构的平均尺寸为20‑40nm，纳米孪晶结构的尺寸分布在50‑130nm，镍基合金表层的梯度纳米结构深度为200‑600μm；该结构的微观硬度在5.0‑5.5GPa之间，微观硬度是表面处理前镍基合金的1.5‑2.0倍，大大提高了镍基合金的强度。

【技术实现步骤摘要】
一种含有梯度纳米结构的镍基合金及其制备方法
本专利技术涉及纳米结构金属材料
，具体涉及一种含有高强度的梯度纳米结构单相镍基合金及其制备方法。
技术介绍
镍基合金具有良好的高温抗氧化、抗渗氮能力，在高温下具有很高的强度，被广泛应用于航空航天、核工业和新能源材料等领域。但是镍基合金的初始材料晶粒较大，强度较低，因此为了提高镍基合金的强度，需要通过固溶强化、第二相强化和塑性变形强化等方法对镍基合金材料进行强化。其中固溶强化和第二相强化能够显著提高镍基合金材料的强度，但是溶质元素的加入会改变材料的物理和化学性能。通过塑性变形方法对镍基合金进行强化的原理是引入位错、层错等缺陷来提高材料的强度，与固溶强化和第二相强化相比，这种方法不会对改变材料的化学成分，但是通过塑性变形强化得到的材料的塑性和热稳定性较差。文献SunYL,FuLM,LvLF,etal.MicrostructureandMechanicalPropertiesofNano-GrainedDual-PhaseNi-BasedAlloy[J].MaterialsScienceForum,2016,848:588-592.中提到单爱党等人使用冷轧工艺制备出晶粒尺寸为50nm的纳米晶镍基合金，在室温拉伸的条件下屈服强度和粗晶材料相比从253MPa增加到1455MPa，有大幅度提升，但与此同时塑性很差，断裂延伸率从44%下降到1.95%；将冷轧过的镍基合金在700℃的温度下退火30h后再进行透射电镜观察，发现纳米晶的平均晶粒尺寸在100nm左右。这证明了通过塑性剧烈变形产生的纳米晶结构虽然具有很高的强度，但是塑性会有很大程度的下降，同时热稳定性变差。文献LiH,EbrahimiF,ChooH,etal.GrainsizedependenceoftensilebehaviorinnanocrystallineNi–Fealloys[J].Journalofmaterialsscience,2006,41(22):7636-7642.中提到EbrahimiF等人用电镀的方法制备出纳米尺度的镍铁合金并进行了拉伸实验，室温拉伸的条件下强度有大幅提升，但是断裂延伸率和粗晶合金相比下降明显，从~41%下降到~3%，塑性下降明显。目前备受关注的梯度结构也可以使金属材料获得良好的强度和稳定性。通过在棒状金属进行表面机械碾压处理等，然后在材料的表面得到一层随着深度的下降从粗晶逐渐转化为纳米晶的梯度纳米结构。这种结构实现了使粗晶纯铜材料屈服强度提高2倍的同时几乎不损失其塑性与稳定性的效果，并且可以通过改变梯度层的体积百分含量来调节金属材料的力学性能。是制备高强度材料的理想方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种含有梯度纳米结构的镍基合金及其制备方法，通过制备出具有一定深度的梯度纳米结构，使得镍基合金具有高强度。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种含有梯度纳米结构的镍基合金，该镍基合金表层的组织结构为梯度纳米结构：镍基合金的表层结构从外至内由纳米晶结构逐渐转化为纳米孪晶结构，最后逐渐转变为粗晶结构，这种梯度纳米结构使得镍基合金具有高强度的特点。进一步地，所述的高强度是指该镍基合金硬度不低于4GPa。进一步地，所述梯度纳米结构中，纳米晶结构的平均尺寸在20-40nm之间，纳米孪晶结构的尺寸分布在50-130nm之间，镍基合金表层的梯度纳米结构深度在200-600μm。进一步地，所述镍基合金的成分为按原子百分比(at.%)计量如下：Ni:59.50～64.0%，Cr:20.0～24.0%，W:13.0～15.0%，Mo:1.0～2.0%，Co:0.94～1.33%，Mn:0.3～1.0%，Si:0.25～0.75%，Al:0.2～0.5%，Fe:0.2～0.5%，C:0.05～0.15%，P:0.001～0.03%，S:0.001～0.015%。一种制备上述的镍基合金的方法，具体步骤如下：（1）对待处理的镍基合金进行固溶处理得到尺寸均匀、组织结构为粗晶结构的单相镍基合金；（2）利用表面机械滚压处理上述单相镍基合金，进行多道次处理，得到所述的含有梯度纳米结构的镍基合金，其中，所述表面机械滚压处理采用表面机械滚压处理系统，所述表面机械滚压处理系统包括处理刀具和冷却系统，通过处理刀具对镍基合金的表层进行机械滚压处理，采用所述冷却系统降低在机械滚压处理中样品表面的温度。进一步地，固溶处理的温度为1200℃，固溶处理的时间为1h。进一步地，所述处理刀具的刀头部分为可以滚动的硬质合金球，所述硬质合金球为WC-Co合金材质，硬质合金球直径为4-10mm；所述冷却系统为液氮气氛冷却。进一步地，所述镍基合金的形状为棒状，所述表面机械滚压处理具体为：镍基合金沿自身轴向旋转，处理刀具的硬质合金球与镍基合金表面接触并压入一定的深度，处理刀具进给，并沿着镍基合金表面从工件的一端运动至另一端，完成一个道次处理；重复上述过程若干道次后，在镍基合金表面形成塑性变形层；其中所述硬质合金球压入镍基合金表面的深度的大小，根据所需要加工的镍基合金的梯度纳米结构的厚度确定。具体地，所述镍基合金的形状为棒状，其直径为6-16mm。具体地，镍基合金沿自身轴向旋转的转速为100-1000r/min，处理刀具沿镍基合金轴向的进给速度为40-80mm/min，每个处理道次中硬质合金球在镍基合金表面的压下深度为10-80μm。进一步地，处理总道次为3-12。本专利技术与现有技术相比，其显著优点如下：（1）本专利技术利用表面机械滚压处理方法在镍基合金表面得到一层具有一定深度的梯度纳米结构，其中表面机械滚压处理在镍基合金表面得到的梯度纳米结构，其强化机制可以用Hall-Petch关系解释，由于纳米晶尺寸和纳米孪晶的片层间距仅有几十纳米，故显著提高了镍基合金的强度。由于仅在表面形成一层梯度纳米结构，镍基合金的心部仍然处于粗晶状态，在塑性变形过程中镍基合金依然具有很好的加工硬化能力，提高了镍基合金的塑性。（2）通过表面机械滚压处理在镍基合金表面制备出梯度纳米结构，对于表面机械滚压处理过程，易于控制变形工艺参数，故结合基材的特点并优化表面机械处理过程中各种参数以及刀具参数等，可以控制梯度纳米结构层的厚度，使得在镍基合金表面制备出较薄的变形层时，仍能保持其高强度。（3）本专利技术中表面机械滚压处理方法，在镍基合金表层制备出具有一定厚度的梯度纳米结构，不同于传统方法制备的均匀结构材料。本专利技术在不改变材料化学成分的前提下，只是通过改变微观结构来提高镍基合金的强度，从而保证镍基合金性能达到最优。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1为实施例1中镍基合金中纳米晶结构的高分辨透射电镜图片。图2为实施例2中镍基合金中纳米孪晶结构的高分辨透射电镜图片。图3为实施例1和2中镍基合金硬度随深度的变化曲线和粗晶镍基合金硬度随深度变化曲线的比较。具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含有梯度纳米结构的镍基合金，其特征在于，该镍基合金表层的组织结构为梯度纳米结构：镍基合金的表层结构从外至内由纳米晶结构逐渐转化为纳米孪晶结构，最后逐渐转变为粗晶结构，这种梯度纳米结构使得镍基合金具有高强度的特点。/n

【技术特征摘要】
1.一种含有梯度纳米结构的镍基合金，其特征在于，该镍基合金表层的组织结构为梯度纳米结构：镍基合金的表层结构从外至内由纳米晶结构逐渐转化为纳米孪晶结构，最后逐渐转变为粗晶结构，这种梯度纳米结构使得镍基合金具有高强度的特点。


2.如权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，所述的高强度是指该镍基合金硬度不低于4GPa。


3.如权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，所述梯度纳米结构中，纳米晶结构的平均尺寸为20-40nm，纳米孪晶结构的尺寸分布在50-130nm，镍基合金表层的梯度纳米结构深度为200-600μm。


4.如权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，所述镍基合金的成分为按原子百分比(at.%)计量如下：Ni:59.50～64.0%，Cr:20.0～24.0%，W:13.0～15.0%，Mo:1.0～2.0%，Co:0.94～1.33%，Mn:0.3～1.0%，Si:0.25～0.75%，Al:0.2～0.5%，Fe:0.2～0.5%，C:0.05～0.15%，P:0.001～0.03%，S:0.001～0.015%。


5.一种制备如权利要求1-4任意一项所述的镍基合金的方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）对待处理的镍基合金进行固溶处理得到尺寸均匀、组织结构为粗晶结构的单相镍基合金；
（2）利用表面机械滚压处理上述单相镍基合金，进行多道次处理，得到所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张勇，张祖赫，蒋舟雯，刘梦楠，袁圣云，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32