[發明專利]一種含碳化物與納米孿晶復合結構的鎳基合金及其制備方法

在審

• 申請號: 202010122440.X
• 申請日: 2020-02-27
• 公開（公告）號: CN113308627A
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發明（設計）人: 張勇;劉夢楠;蔣舟雯;張祖赫;袁圣云
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: C22C19/05
• 分類號: C22C19/05;C22F1/10
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國;鄒偉紅

本發明公開了一種含碳化物和納米孿晶復合結構的鎳基合金及其制備方法，涉及納米結構金屬材料技術領域。該鎳基合金表層的組織結構為碳化物和納米孿晶的復合結構，納米孿晶上彌散分布著碳化物，形成碳化物和納米孿晶的復合結構。該方法是先后利用表面機械滾壓處理和時效處理對鎳基合金進行處理，從而在鎳基合金表層制備出納米孿晶和碳化物的復合結構。所述復合結構中納米孿晶片層間距分布在15?50 nm，碳化物尺寸分布在5?50 nm，該結構的微觀硬度在4.9?5.2 GPa之間，微觀硬度是表面處理前鎳基合金的1.3?1.9倍，不僅從整體上提高了鎳基合金的硬度，同時使其具有熱穩定性。

技術領域

本發明涉及納米結構金屬材料技術領域，具體涉及一種含有較高硬度和熱穩定性的含碳化物與納米孿晶復合結構的鎳基合金及其制備方法。

背景技術

鎳基合金具有十分優秀的抗氧化性和較強的耐腐蝕性能，主要應用在航空航天和機械制造等工業領域。鎳基的原始組織中，主要為尺寸較大的原始晶粒，整體組織硬度較低。為了提高鎳基合金的硬度，諸多科學家經過了幾個世紀的努力研究，已經提出了許多強化材料的方法，其中包括固溶強化、第二相強化和塑性變形強化等。其中可以發現，固溶強化和第二相強化的方法雖然能夠顯著提高合金的硬度，但是加入合金元素將會改變材料的物理和化學性能。另一方面，通過塑性變形，一定會在材料中引入如晶界、位錯等缺陷，這些缺陷可以有效地提高合金硬度。這種塑性變形方法，相比固溶處理和第二相強化，不會改變材料的化學成分，但無法保有塑性和熱穩定性。文獻Talin A A, Marquis E A, Goods SH, et al. Thermal stability of Ni - Mn electrodeposits[J]. Acta Materialia,2006, 54(7): 1935-1947.中提到M.K. Miller等人利用電沉積工藝處理制備出納米晶Ni- Mn合金，晶粒尺寸為43 ± 7 nm，樣品硬度較高。但是納米晶Ni - Mn合金經過600 ℃保溫1 h的時效處理后微觀硬度 ~ 2.6 GPa，而在700 ℃下時效，保溫1 h，微觀硬度僅有1.9GPa。文獻中指出該納米晶鎳基合金的粗化溫度為600 ℃，表明該樣品的熱穩定性尚可，但硬度較低。

文獻Hu J, Y. N. S, K. L. Thermal analysis of electrodeposited nano-grained Ni-Mo alloys[J].Scripta Materialia, 2018, 154: 182-185.中Hu等人利用電解沉積工藝制備出納米晶Ni - Mo 合金，晶粒尺寸為14.0±3.8 nm，該材料的微觀硬度 ~5.8 GPa。該納米晶Ni - Mo合金經過600 ℃保溫1 h的時效處理后微觀硬度 ~ 3.2 GPa，而在700 ℃下時效，保溫1 h，微觀硬度仍有2.9 GPa。該納米晶Ni - Mo合金在746±3℃時效后晶粒尺寸僅增大到17.9±4.7 nm。該方法制備的納米晶鎳基合金硬度有一定提高，熱穩定性也較好。

目前已知的塑性變形技術雖然能夠在純鎳及鎳基合金上細化晶粒，以提高材料硬度，但材料變形程度不夠或者難以調控，使得精確調控成為難題；此外，由于硬度的提升在一般情況下需要犧牲塑性作為代價，即難以在升溫過程中維持熱穩定性，因此在實際應用中處處受限。

發明內容

本發明的目的在于提供一種含碳化物與納米孿晶復合結構的鎳基合金及其制備方法，通過碳化物與納米孿晶結構的共同作用，使得鎳基合金同時具有較高硬度和熱穩定性。

實現本發明目的的技術解決方案為：

一種具有碳化物與納米孿晶復合結構的鎳基合金，該鎳基合金的表層的組織結構為納米孿晶和碳化物組成的復合結構，碳化物彌散分布在納米孿晶結構上，使得該鎳基合金同時具有較高硬度和熱穩定性。

較佳的，所述的較高硬度是指該鎳基合金硬度不低于4 GPa。

較佳的，所述的熱穩定性是指500℃以上保溫1 h，該鎳基合金的結構尺寸沒有超過100nm，即維持在納米尺度。