[發明專利]超高屈服強度塊體納米晶中熵VCoNi合金及其制備方法

在審

• 申請號: 202310052612.4
• 申請日: 2023-02-02
• 公開（公告）號: CN116162841A
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發明（設計）人: 單貴斌;蘭司;馮濤;吳尚書;鄒呂禹
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: C22C30/00
• 分類號: C22C30/00;C22C1/02;C22F1/02;B22F3/02;B22F9/04;B21B3/00
• 代理公司: 安徽善安知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 34200
• 代理人: 黃玲

本發明涉及納米晶制造與粉末冶金領域，公開了超高屈服強度塊體納米晶中熵VCoNi合金及其制備方法，微觀結構為單相FCC結構，純度高、組織均勻、平均晶粒尺寸小于50nm、屈服強度高達3.4GPa的塊體納米晶合金；VCoNi合金中化學元素按以下配比：V:Co:Ni＝1:1:1；且熔煉母材的各純元素純度≥99.95％。本發明可以制備傳統塊體納米晶的制備工藝很難制備出高純度平均晶粒尺寸小于50nm的塊體材料，本制備方案整套制備流程均在超高真空腔體中完成，并不存在樣品被氧化的情況，能夠極大的避免雜質元素對樣品性能的影響，對于納米晶理論與工程應用的發展具有重大作用。

技術領域

本發明涉及納米晶制造與粉末冶金領域，具體為超高屈服強度塊體納米晶中熵VCoNi合金及其制備方法。

背景技術

金屬材料憑借優異的可加工性、較高的重復利用性以及優異的力學性能已經成為不可或缺的工程結構材料。然而，隨著人類社會的進一步發展，對金屬材料性能的要求也愈發提高。設計并制備出性能更加優異的金屬材料始終是材料界所追求的目標。組織納米化被認為是大幅提高金屬材料性能的有效手段。然而，目前的主流制備手段(多道次疊軋、高壓扭轉、等徑角擠壓、冷拔以及高能球磨與粉末燒結相結合等手段)均無法普適制備純度高且平均晶粒尺寸小于50nm的金屬納米晶塊體材料。

近年來，中高熵合金由于其諸多優異的物理化學性能成為當前研究的熱點，是一類具有廣闊市場應用前景的新型金屬結構材料。VCoNi中熵合金由于其具備較大的晶格畸變效應與Hall-Petch系數，因此具備優異的力學性能：平均晶粒尺寸為1μm時屈服強度高達近1GPa。如何通過合理科學的組織調控有效提高其力學性能，是推動這類材料未來發展應用的關鍵。

經檢索公布日為2022年12月16日，公布號為CN?115478201?A的中國專利文件公開了一種雙重有序相的CoNiV基中熵合金及其制備方法。該專利主要通過調控Al元素和Ti元素的含量，基于電弧熔煉和熱處理工藝成功制備出了具備雙重有序相的CoNiV基中熵合金。通過該方法制備的中熵合金具備良好的屈服強度，可達1.2GPa。但受限于傳統電弧熔煉制備工藝，該合金材料的晶粒尺寸仍然處在微米級，無法發揮VCoNi中熵合金Hall-Petch系數較大的優勢，如能通過某種特定制備手段進一步細化晶粒尺寸至納米級別，該材料屈服強度有望顯著提升，進而拓展其應用前景。

還檢索到公布日為2021年4月16日，公布號為CN?112663333?A的中國專利文件公開了一種超細金屬粉末沉積的方法。該方法在惰性氣體保護的氛圍下，通過激光加熱激發金屬靶材成為制備出尺寸均勻可控，形狀規則納米顆粒。該專利主要提出了一種純金屬納米粉末的制備工藝，尚未探究塊體納米金屬的制備工藝。

還檢索到公布日為2022年11月11日，公布號為CN?115323241?A的中國專利文件公開了一種納米難熔高熵合金TiZrHfNb的制備方法。該方法成功通過惰性氣體冷凝的方法制備出組織均勻、熱穩定性能優異的單相BCC結構的納米晶材料。該專利在公布號為CN112663333?A的中國專利工藝的基礎上添加了一步高壓工藝，進而成功制備出了塊體納米金屬材料。但是該專利共開的合金體系中的四種元素中Ti和Zr的熔點接近，Hf和Nb的熔點接近，并且不存在明顯的晶格畸變效應，因此較容易制備出組織均勻的塊體納米晶材料。對于VCoNi合金體系，由于V元素熔點遠遠高于Co元素和Ni元素，并且存在較大晶格畸變效應，因此相關制備工藝仍需要進一步探索。

還檢索到公告日為2022年5月31日、公告號為CN?112251644?B的中國專利文件公開了一種制備高熱穩定性等軸納米晶Ti6Al4V-Ag合金的制備方法。該專利主要通過ECAP的方法細化晶粒，但該方法存在一顯著弊端：無法制備晶粒尺寸小于50nm的塊體材料，進而無法研究其各類物化性能，嚴重滯緩其強韌化理論以及工業應用的發展。

綜上所述，目前雖然通過某些手段能夠制備金屬塊體納米晶材料，但對于高純度具有較大晶格畸變的FCC結構VCoNi中熵合金的制備，目前尚沒有成熟可用的制備手段。

發明內容