[发明专利]通过氮化物纳米颗粒的分散生产强化合金的方法

说明书

技术领域

本发明涉及生产强化合金的方法。本发明更具体地涉及生产由金属氮化物纳米颗粒强化的合金的方法。

现有技术

与母合金相比，由氮化物颗粒强化的合金(称为NDS合金，代表“氮化物弥散强化”)具有改进的机械性能，尤其在牵引、蠕变、压缩或疲劳下具有更好的机械强度。

这些性能还可通过减小弥散颗粒的尺寸而进一步改进。

因此，许多研究致力于使用减小尺寸的颗粒来优化生产NDS合金的方法。

在这些方法中，习惯上使用气体渗氮。文献“Johansson等人，Nitrogen alloyed stainless steels produced by nitridation of powder(由粉末渗氮制备的氮合金不锈钢)，Metal Powder Report，1991，46(5)，第65-68页”描述了这样的方法：在纯双氮(diazote)(N₂)气氛下在约1000℃加热含钛奥氏体钢粉以形成中间氮化物，氮化铬Cr₂N的沉淀。在1200℃下补充热处理的作用下，这些沉淀然后溶解，以最终获得由氮化钛弥散体强化的合金。

然而，这种渗氮方法的补充热处理具有产生可高达300nm平均尺寸的弥散体的缺点。这种大尺寸的弥散体具有劣化强化合金的机械性能的趋势。

用于生产NDS合金的另一种类型的方法包括粉末冶金。在文献US 4,708,742中，将氮供体化合物(例如Cr₂N)的粉末与用于形成强化合金的金属基体的粉末(这种粉末能够通过混合不同金属元素获得，或是基于不锈钢或镍基钢的母合金的粉末)共研磨。使获得的粉末混合物经受热处理，以分解氮供体，使得由此获得的双氮与金属基体的元素中的一种形成氮化物。在粉末混合物固结之后，获得通过氮化物弥散体强化的合金。

意图通过氮供体的分解来产生双氮的热处理意味着这种粉末冶金方法可能类似于渗氮方法。

因此在形成最后的金属氮化物之前使中间氮化物(例如Cr₂N)存在的需求，还对弥散的纳米颗粒的尺寸具有不利影响，其最好也只不过约一微米。

因此，前述的现有技术的方法特别是具有这样的缺点：它们不使得生产其中纳米颗粒主要具有减小的平均尺寸(通常小于80nm)的强化合金成为可能。

另外，对通过中间氮化物的需求意味着这些方法经受寄生反应，所述寄生反应使得难以控制存在于所获得的强化合金中的颗粒的组成和量。

发明的公开内容

因此，本发明的一个目的是提供一种生产包含基本上具有小于80nm的平均尺寸的纳米颗粒的NDS合金的方法，其中该方法可使得实现对合金中的这些纳米颗粒的组成和量的更好的控制成为可能。

因此，本发明涉及一种生产包含金属基体的强化合金的方法，纳米颗粒弥散在所述金属基体中，至少80％的所述纳米颗粒具有1nm至80nm之间的平均尺寸并且包含选自至少一种金属元素M的氮化物的至少一种氮化物，所述金属元素M属于由以下组成的组：Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Nd、U和B。

该方法包括以下相继的步骤：

a)共研磨(即在同一容器中研磨)i)金属基体的前体的第一粉末与ii)包含金属元素M的至少一种第二粉末，所述前体并入0.02wt％至1wt％的间隙氮(interstitial nitrogen)；

b)固结在步骤a)结束时获得的粉末混合物，使得所有氮或部分氮与金属元素M直接结合以形成所述氮化物，所述氮化物形成弥散到强化合金中的纳米颗粒的组成部分。

在本发明的含义内，“平均尺寸”指当纳米颗粒或粉末微粒为大体球形时它们的直径的平均值，或指当这些物体不为大体球形时它们的主要尺寸的平均值。

纳米颗粒的平均尺寸基本上在1nm至80nm之间，即至少80％(优选至少90％、或甚至100％)的纳米颗粒具有1nm至80nm之间的平均尺寸。具有这种平均尺寸的纳米颗粒的量可易于通过本领域技术人员已知的技术(例如，透射电子显微镜法(TEM))确定。

有利地，本发明的方法不包括使用意图形成构成所有或部分弥散的纳米颗粒的金属氮化物的中间氮化物。

相反，根据本发明的方法，意图形成这种氮化物的氮初始以间隙形式(即，以N原子形式，而不是以分子形式N₂)存在于金属基体的前体的粉末中。在共研磨步骤期间，氮保持为间隙形式，在此期间，氮与初始地包含在粉末中的其他化学元素形成固溶体。