[发明专利]一种含有梯度纳米结构的镍基合金及其制备方法

说明书

本发明记载了一种含有梯度纳米结构的镍基合金及其制备方法，涉及纳米结构金属材料技术领域。该镍基合金表层的组织结构为梯度纳米结构：镍基合金的表层结构从外至内由纳米晶结构逐渐转化为纳米孪晶结构，最后逐渐转变为粗晶结构，这种梯度纳米结构使得镍基合金具有高强度的特点。该方法是利用表面机械滚压处理，从而在镍基合金表层制备出梯度纳米结构。所述梯度纳米结构中纳米晶结构的平均尺寸为20‑40nm，纳米孪晶结构的尺寸分布在50‑130nm，镍基合金表层的梯度纳米结构深度为200‑600μm；该结构的微观硬度在5.0‑5.5GPa之间，微观硬度是表面处理前镍基合金的1.5‑2.0倍，大大提高了镍基合金的强度。

技术领域

本发明涉及纳米结构金属材料技术领域，具体涉及一种含有高强度的梯度纳米结构单相镍基合金及其制备方法。

背景技术

镍基合金具有良好的高温抗氧化、抗渗氮能力，在高温下具有很高的强度，被广泛应用于航空航天、核工业和新能源材料等领域。但是镍基合金的初始材料晶粒较大，强度较低，因此为了提高镍基合金的强度，需要通过固溶强化、第二相强化和塑性变形强化等方法对镍基合金材料进行强化。其中固溶强化和第二相强化能够显著提高镍基合金材料的强度，但是溶质元素的加入会改变材料的物理和化学性能。

通过塑性变形方法对镍基合金进行强化的原理是引入位错、层错等缺陷来提高材料的强度，与固溶强化和第二相强化相比，这种方法不会对改变材料的化学成分，但是通过塑性变形强化得到的材料的塑性和热稳定性较差。文献Sun Y L, Fu L M, Lv L F, etal. Microstructure and Mechanical Properties of Nano-Grained Dual-Phase Ni-Based Alloy[J]. Materials Science Forum, 2016, 848: 588-592.中提到单爱党等人使用冷轧工艺制备出晶粒尺寸为50 nm的纳米晶镍基合金，在室温拉伸的条件下屈服强度和粗晶材料相比从253 MPa增加到1455 MPa，有大幅度提升，但与此同时塑性很差，断裂延伸率从44%下降到1.95%；将冷轧过的镍基合金在700 ℃的温度下退火30 h后再进行透射电镜观察，发现纳米晶的平均晶粒尺寸在100 nm左右。这证明了通过塑性剧烈变形产生的纳米晶结构虽然具有很高的强度，但是塑性会有很大程度的下降，同时热稳定性变差。

文献Li H, Ebrahimi F, Choo H, et al. Grain size dependence of tensilebehavior in nanocrystalline Ni–Fe alloys[J]. Journal of materials science,2006, 41(22): 7636-7642.中提到Ebrahimi F等人用电镀的方法制备出纳米尺度的镍铁合金并进行了拉伸实验，室温拉伸的条件下强度有大幅提升，但是断裂延伸率和粗晶合金相比下降明显，从~41%下降到~3%，塑性下降明显。

目前备受关注的梯度结构也可以使金属材料获得良好的强度和稳定性。通过在棒状金属进行表面机械碾压处理等，然后在材料的表面得到一层随着深度的下降从粗晶逐渐转化为纳米晶的梯度纳米结构。这种结构实现了使粗晶纯铜材料屈服强度提高2倍的同时几乎不损失其塑性与稳定性的效果，并且可以通过改变梯度层的体积百分含量来调节金属材料的力学性能。是制备高强度材料的理想方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含有梯度纳米结构的镍基合金及其制备方法，通过制备出具有一定深度的梯度纳米结构，使得镍基合金具有高强度。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种含有梯度纳米结构的镍基合金，该镍基合金表层的组织结构为梯度纳米结构：镍基合金的表层结构从外至内由纳米晶结构逐渐转化为纳米孪晶结构，最后逐渐转变为粗晶结构，这种梯度纳米结构使得镍基合金具有高强度的特点。

进一步地，所述的高强度是指该镍基合金硬度不低于4GPa。