[發明專利]金屬二維納米層片結構及制備方法

有效

• 申請號: 201310536227.3
• 申請日: 2013-10-31
• 公開（公告）號: CN103540727A
• 公開（公告）日: 2014-01-29
• 發明（設計）人: 張洪旺;劉小春;盧柯
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C21D7/02
• 分類號: C21D7/02
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

技術領域

本發明涉及金屬材料結構性能改進技術，具體為一種利用塑性變形制備的金屬二維納米層片結構及制備方法，適用于金屬材料鎳、鋁、銅、鐵、鈦及其合金。

背景技術

納米晶體材料是指由尺寸小于100nm的微觀結構組成的單相或多相晶體材料。由于其結構尺寸比普通的多晶體材料小了約三個數量級，晶界所占的比例大幅度提高。目前制備的納米晶為三維等軸狀，且具有高的大角晶界密度和隨機晶體學取向，這種納米晶體材料具有優于傳統材料的性能，例如：高強度、高硬度、高擴散性能、優異的耐摩擦磨損性能等，但是其熱穩定性很差，通常表現出強度－熱穩定性的倒置關系。此外，嚴重塑性變形是現階段制備納米金屬材料的有效方法，包括：高壓扭轉法（high?pressure?torsion,HPT）、等通道擠壓（equal?channel?angular?pressing,ECAP）和累積疊軋(accumulative?roll?bonding,ARB)等。這些晶粒細化減小金屬（如鋁，鐵，鎳等）的晶粒至亞微米量級，但是卻不能將結構尺寸進一步減小至納米尺度（<100nm）。主要原因是當應變量增加某一臨界值，位錯積累和湮沒達到了動態平衡，位錯密度不能繼續增加。以純鎳為例，當應變量達到一定值時（約5～10），晶粒尺寸達到飽和（約為200nm），強度約為1000MPa（文獻3：R.Pippan等，Adv.Eng.Mater.(先進工程材料)，2006，8：1046）。突破飽和結構尺寸限制，進一步強化金屬，獲得優異綜合性能是納米金屬研究的重大難題。

近年來，通過形成特殊孿晶界面，金屬材料的飽和晶粒尺寸可被顯著降低至納米尺度，同時納米晶體材料的綜合性能得到了大幅度的提升。我國材料科學家Lu等人（文獻1：L.Lu等，Science(科學)，2004,304:422）通過在亞微米尺度的晶粒內引入高密度共格孿晶界面，發明了一種新型納米孿晶結構銅，其具有高強度及高熱穩定性。美國科學家（文獻2：T.Chookajorn等，Science(科學)，2012，337：951）通過添加大量的合金元素，使合金元素在晶界處偏聚，降低晶界的能量，從而制備出具有高強度，高熱穩定性的納米結構鎢合金。添加微量合金元素，能夠大幅度降低變形導致的飽和晶粒尺寸，以純鎳為例，當添加0.14wt%的Ti，其飽和晶粒尺寸能被降低至50nm以下。通過低溫塑性變形，純金屬材料的結構尺寸也能被細化至納米尺度。然而，這些方法都存在一定的局限性，比如，納米孿晶結構只有在具有中、低層錯能的金屬材料中才容易獲得，合金化往往會改變材料的理化性能，低溫變形制備的納米金屬更加不穩定。

眾所周知，位錯的增殖、重排是結構細化的本質原因，而飽和態的出現源于變形導致的位錯密度增加與動態回復導致的位錯密度降低達到了動態平衡；而結構的穩定性取決與界面的遷移能力、儲存能以及結構的均勻性。突破飽和尺寸限制要求進一步提高位錯密度-提高位錯積累或降低位錯消失，而提高結構穩定性要求結構均勻，儲存能低且界面遷移困難。傳統的通過增加變形量提高位錯密度的方法已經受困于結構細化導致的動態回復加劇，而超細晶結構的高密度大角晶界、結構不均勻性、高的儲存能和界面遷移性本質上難以具有好的結構穩定性?？紤]到位錯積累與變形速率和應變梯度密切相關，而這一影響因素長期以受到的關注度不高。最近的研究表明高速塑性變形加快了結構演化，在相同變形量時的位錯密度更高，結構尺寸更小，高應變梯度獲得了遠高于飽和態的位錯密度。除此之外，高速塑性變形獲得了以小角晶界為主的納米結構，界面能和界面遷移性遠低于大角晶界。因此高速、大應變和高應變梯度塑性變形將有望解決納米金屬所面臨的難題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種利用塑性變形制備的金屬二維納米層片結構及制備方法，解決飽和尺寸限制和綜合性能（如：強度－熱穩定性優化）等問題。

本發明的技術方案是：

一種金屬二維納米層片結構，層片厚度為200納米以下，長徑比為5以上，具有強的變形織構，層片內部與層片之間的晶體學取向差在15°以下。

所述的金屬二維納米層片結構，層片厚度優選為5～150納米，長徑比優選為5～100。

所述的金屬二維納米層片結構，層片內部與層片之間的晶體學取向差優選為1°～10°。

所述的金屬二維納米層片結構的制備方法，采用塑性變形，變形工藝參數符合以下特征：

變形應變速率范圍：≥1s^-1；

變形應變量范圍：≥2，計算方法：