[发明专利]一种含碳化物与纳米孪晶复合结构的镍基合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含碳化物和纳米孪晶复合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碳化物和纳米孪晶的复合结构，纳米孪晶上弥散分布着碳化物，形成碳化物和纳米孪晶的复合结构。该方法是先后利用表面机械滚压处理和时效处理对镍基合金进行处理，从而在镍基合金表层制备出纳米孪晶和碳化物的复合结构。所述复合结构中纳米孪晶片层间距分布在15‑50 nm，碳化物尺寸分布在5‑50 nm，该结构的微观硬度在4.9‑5.2 GPa之间，微观硬度是表面处理前镍基合金的1.3‑1.9倍，不仅从整体上提高了镍基合金的硬度，同时使其具有热稳定性。

技术领域

本发明涉及纳米结构金属材料技术领域，具体涉及一种含有较高硬度和热稳定性的含碳化物与纳米孪晶复合结构的镍基合金及其制备方法。

背景技术

镍基合金具有十分优秀的抗氧化性和较强的耐腐蚀性能，主要应用在航空航天和机械制造等工业领域。镍基的原始组织中，主要为尺寸较大的原始晶粒，整体组织硬度较低。为了提高镍基合金的硬度，诸多科学家经过了几个世纪的努力研究，已经提出了许多强化材料的方法，其中包括固溶强化、第二相强化和塑性变形强化等。其中可以发现，固溶强化和第二相强化的方法虽然能够显著提高合金的硬度，但是加入合金元素将会改变材料的物理和化学性能。另一方面，通过塑性变形，一定会在材料中引入如晶界、位错等缺陷，这些缺陷可以有效地提高合金硬度。这种塑性变形方法，相比固溶处理和第二相强化，不会改变材料的化学成分，但无法保有塑性和热稳定性。文献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等人利用电沉积工艺处理制备出纳米晶Ni- Mn合金，晶粒尺寸为43 ± 7 nm，样品硬度较高。但是纳米晶Ni - Mn合金经过600 ℃保温1 h的时效处理后微观硬度 ~ 2.6 GPa，而在700 ℃下时效，保温1 h，微观硬度仅有1.9GPa。文献中指出该纳米晶镍基合金的粗化温度为600 ℃，表明该样品的热稳定性尚可，但硬度较低。

文献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等人利用电解沉积工艺制备出纳米晶Ni - Mo 合金，晶粒尺寸为14.0±3.8 nm，该材料的微观硬度 ~5.8 GPa。该纳米晶Ni - Mo合金经过600 ℃保温1 h的时效处理后微观硬度 ~ 3.2 GPa，而在700 ℃下时效，保温1 h，微观硬度仍有2.9 GPa。该纳米晶Ni - Mo合金在746±3℃时效后晶粒尺寸仅增大到17.9±4.7 nm。该方法制备的纳米晶镍基合金硬度有一定提高，热稳定性也较好。

目前已知的塑性变形技术虽然能够在纯镍及镍基合金上细化晶粒，以提高材料硬度，但材料变形程度不够或者难以调控，使得精确调控成为难题；此外，由于硬度的提升在一般情况下需要牺牲塑性作为代价，即难以在升温过程中维持热稳定性，因此在实际应用中处处受限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含碳化物与纳米孪晶复合结构的镍基合金及其制备方法，通过碳化物与纳米孪晶结构的共同作用，使得镍基合金同时具有较高硬度和热稳定性。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种具有碳化物与纳米孪晶复合结构的镍基合金，该镍基合金的表层的组织结构为纳米孪晶和碳化物组成的复合结构，碳化物弥散分布在纳米孪晶结构上，使得该镍基合金同时具有较高硬度和热稳定性。

较佳的，所述的较高硬度是指该镍基合金硬度不低于4 GPa。

较佳的，所述的热稳定性是指500℃以上保温1 h，该镍基合金的结构尺寸没有超过100nm，即维持在纳米尺度。