[發明專利]一種超強超高熱穩定性塊體納米晶鋼的制備方法

有效

• 申請號: 201610404754.2
• 申請日: 2016-06-08
• 公開（公告）號: CN106011592B
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發明（設計）人: 沈同德;杜聰聰;高欣海
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: C22C33/02
• 分類號: C22C33/02;C22C38/40;C22C38/44;C22C38/50;C22C38/46;C22C38/48
• 代理公司: 秦皇島一誠知識產權事務所(普通合伙)13116
• 代理人: 續京沙

技術領域

本發明屬于材料技術領域，特別涉及一種納米晶鋼的制備方法。

背景技術

自從80年代初德國科學家H.Gleiter教授提出了納米晶體材料的概念并首次獲得人工制備的納米晶體以來，世界各國材料學家競相開展對這種新材料的研究工作，由于納米晶體材料表現出一些優異的物化及力學性能，從而為提高材料的綜合性能，發展新一代高性能材料創造了條件。納米晶體金屬(晶粒尺寸小于100nm)比粗晶有更高的性能，甚至超過合金，因此將會有更多的應用。例如，純的納米晶體結構Cu有超過400Mpa的屈服強度，這比粗晶Cu高六倍。進入21世紀以來，雖然新興材料的發展日新月異，鋼鐵材料仍然是新世紀的首選支柱用材料，特別是在像中國這樣的發展中國家，仍將得到持續的發展和應用。為保護環境,節約能源和原材料(包括鐵礦石),發展超高強度鋼、減輕器械重量,降低鋼產量是我國刻不容緩的戰略措施。預測認為，如將珠光體-鐵素體鋼的抗拉強度從400MPa提高至接近2000MPa或超過2000MPa,將可使我國的鋼產量降低80％。如果以我國2014年的約8億噸鋼產量計算，鋼產量可降低至2億噸以下,對保護環境、節約能源和原材料將具有無法估量的巨大社會和經濟效益。

雖然納米晶體金屬有很高的屈服強度，但是納米晶體中大量的晶界處于熱力學亞穩態，在適當的外界條件下將向較穩定的亞穩態或穩定態轉化，一般表現為固溶脫溶，晶粒長大及相轉變三種形式。納米晶體一旦發生晶粒長大，即轉變為普通粗晶材料，失去其優異性能。因此納米晶體的熱穩定性是決定納米晶體金屬在高溫領域應用的一個關鍵性因素。

納米晶體材料的制備方法按照界面形成過程可以分為三類：(1)外壓力合成；(2)沉積合成；(3)相變界面形成。目前絕大多數納米晶體樣品仍是用外壓力合成方法低溫固結而成。針對納米晶體材料的制備，國內學者提出了新的制備方法，盧柯在《材料科學與工程》上發表《納米金屬結晶與非晶固化：納米化，結構和性能》。此類技術主要采用非晶晶化法來來制備納米晶體樣品。國外也提出了新的制備方法，日本人在《材料與設計》上發表《放電等離子燒結的316超細鋼的功能特性》一文中，采用了放電等離子燒結的方法來合成超細晶鋼。以上方法的共性是：制備的納米晶和超細晶鋼只可在低溫下保持納米晶體金屬的優異的性能，當溫度超過0.5T_m時，晶粒尺寸會有大幅度的增長，可以達到800nm-900nm，甚至達到微米的級別。

按照經典的多晶體長大理論，納米晶體材料晶粒長大的驅動力要遠遠大于一般的多晶體，甚至常溫下，都很難穩定。然而，研究發現許多納米晶體材料均有很好的溫度穩定性，甚至接近材料的熔點溫度仍不會顯著長大。這些材料的一個共同特征是它們均為多組分的，即合金或含有雜質元素。通常抑制晶粒長大有兩種基本方法，即動力學方法和熱力學方法。動力學方法即通過不同機制阻滯晶界的移動，降低晶界的移動能力。這些機制包括：氣孔拖曳、第二相粒子釘扎(Zener釘扎)、溶質拖曳、化學有序性以及晶粒尺寸穩定化。當移動晶界遇到第二相粒子、氣孔等，運動便會受阻。熱力學方法是通過溶質原子在晶界處偏析，從而降低晶界能。由于晶粒長大的驅動力正比于晶界能，設法降低晶界能便可以有效控制晶粒長大。

不難發現,制備大塊的組織均勻、全致密、晶粒細小均勻、且熱穩定性好的納米晶材料是推動納米技術飛速發展的一個關鍵。惰性氣體蒸發、原位加壓成形法；放電等離子燒結；傳統的熱等靜壓；先高壓預壓成形，而后低溫燒結；高壓的同時采用低溫燒結的方法的缺點是：為了保證塊體樣品的晶粒尺寸維持在納米尺度，采取的燒結的溫度較低，過高會造成晶粒長大，失去納米材料的優異性能。而較低溫度使得樣品燒結密度很低。上述的方法所制備的樣品內也不可避免存在大量微孔隙,致密樣品密度僅能達金屬體積密度的75％～90％,這種微孔隙對納米材料的結構性能研究及某些性能的提高十分不利。

發明內容

本發明的目的在于提供一種能夠提高納米晶鋼屈服強度、硬度和壓縮延伸率的超強超高熱穩定性塊體納米晶鋼的制備方法。

本發明的制備方法如下：

1、一種超強超高熱穩定性的塊體納米晶鋼制備的方法，其特征在于：

(1)按304奧氏體不銹鋼粉末與合金元素或者復配元素的原子百分比為：99.9％-94％：0.1％-6％，將合金元素或者復配元素加入到原料304奧氏體不銹鋼粉末中；

所述合金元素為：B、C、Ti、V、Ta、Zr、Mo、La、Nb、Y、Hf、或W；