[发明专利]具有极小孪晶片层厚度和超高强度的纳米孪晶镍及其制备

说明书

本发明涉及一种超硬纳米晶体金属材料，具体地说是一种具有极小孪晶片层厚度和超高强度的纳米孪晶镍及其制备方法。利用电解沉积技术，制备出厚度为数百微米至毫米的纳米孪晶镍，其微观结构是由长200～3000nm，宽约10～50nm的柱状晶粒组成，在柱状晶内部包含有高密度且取向一致的孪晶片层结构，孪晶片层的厚度从0.5到10nm。具有孪晶结构的晶粒可占整个样品晶粒的100％。该材料的室温显微硬度可达8.5GPa以上，是普通电镀纳米镍的1.5‑2倍以上。250℃退火半小时后硬度增加到9.6GPa，结构粗化温度可达350℃以上，比普通纳米晶镍的结构粗化温度高150℃以上。本发明制备的纳米晶镀层可应用于铜、镍及其合金，以及不锈钢等金属材料的耐磨防护，也可应用于微机械系统(MEMS)等领域。

技术领域

本发明涉及纳米晶体金属材料的制备和镀层防护领域，特别提供一种具有极小孪晶片层厚度和超高强度的纳米孪晶镍及其制备方法。

背景技术

镍是具有光亮银白色的金属，略带黄色。其在空气中易钝化，有较好的化学稳定性，在常温下不受水、大气和碱的侵蚀。此外，镍具有优良的力学性能，如较高的硬度、良好的耐磨性、较好的延展性等。镀镍层易于通过光亮电沉积获得光亮的表面，适于作为钢铁、铝合金、铜合金、锌铸件以及经过金属化处理的非金属制品的表面光亮装饰。因此镀镍层是最重要的金属镀层之一。它广泛用于汽车、自行车、仪表、医疗器具、文具用品和日用五金等方面。

纳米晶体材料是指微观结构特征尺寸小于100nm的单相或多相晶体材料。其显著结构特点是晶粒尺寸极小，有很大比例的原子位于晶界处，这使得纳米晶体材料相比传统粗晶材料具有显著不同的物理化学性能及力学性能，这为高性能工程材料的制备提供了广阔的发展空间。

近些年来，通过调控界面(相界和晶界)来提高纳米晶体材料的综合性能(强度、塑性、热稳定性等)成为了研究的热点。例如，我国著名材料科学家卢柯院士通过在铜的亚微米晶粒内引入高密度的、平行排列的孪晶片层(专利申请号：200310104274.7)，不但提高了铜的强度(达到了传统粗晶铜的30倍)，还有效的避免了塑性的损失以及维持了较高的导电率(粗晶铜的96％)。田永君院士在高压下合成出具有超细纳米孪晶结构的立方氮化硼和金刚石(文献2：Y.Tian et al.,Ultrahard nanotwinned cubic boron nitride,Nature,493(2013)385-388.)，显著提高了两种超硬材料的硬度和热稳定性，其中纳米孪晶结构使得金刚石的硬度达到了天然金刚石的两倍，高达200GPa。Mara等人通过叠轧法制备了一种具有二维纳米层片结构的Cu/Nb层状材料(文献3：N.A.Mara et al.,Deformabilityofultrahigh strength5nm Cu/Nb nanolayered composites,Appl.Phys.Lett.,92(2008)3.)，这种层状材料两相的界面形成了特定的取向关系，具有较低的界面能，从而使得其层片结构在500℃下退火依旧不长大，在700℃退火时依然能保持层片状结构。胡剑等人利用电沉积技术制备了不同Mo含量以及不同晶粒尺寸的Ni-Mo合金(文献4：J.Hu et al.,Grainboundary stability governs hardening and softening in extremely finenanograined metals,Science,355(2017)1292-1296.)，通过在不同温度下进行退火试验，改变Mo元素在晶界的偏析程度来调控晶界能，发现晶界偏析改变了合金的变形机制，由全位错主导变形转变成了不全位错主导变形，从而抑制了合金在极小晶粒尺寸范围内的软化，大幅度提高了合金的硬度。以上这些调控界面的行为都有一个共同点，即降低界面能，而其中最有效的结构是孪晶界。但是，由于层错能的差异，不同金属形成孪晶的难易程度不同，比如层错较低的铜(78mJ/m²)、银(22mJ/m²)、金(45mJ/m²)等金属容易形成变形孪晶、生长孪晶以及退火孪晶。