[发明专利]一种利用溶质交互作用细化晶粒的Ni合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种利用溶质交互作用细化晶粒的Ni合金及其制备方法，所述Ni合金通过下式表示：Ni_100‑2x‑Q_x‑Z_x(at.％)，其中x为0.4～1.0，Q和Z为等原子比的金属细化元素和非金属细化元素。其中，Q和Z的混合焓为‑100～‑120kJ/mol；所述Q的溶质分配系数小于1，所述Z的溶质分配系数小于1。本发明通过将两种细化元素共同添加至Ni合金中，利用两种元素在固液界面前沿的偏析及其交互作用抑制晶粒生长，达到利用微合金化即可促进柱状晶‑等轴晶转变和细化晶粒的目的，经细化后的Ni合金的晶粒为等轴晶粒，平均晶粒尺寸为150μm以下，具有组织均匀，各向同性和元素添加量少的特点。由此解决目前Ni及Ni基合金的细化晶粒的溶质效果不够显著，无法有效地诱导形成更加细小的等轴晶的技术问题。

技术领域

本发明属于金属凝固组织调控领域，更具体地，涉及一种利用溶质交互作用细化晶粒的Ni合金及其制备方法。

背景技术

Ni及Ni基合金具有优异的耐高温、塑性、抗氧化和耐腐蚀等综合性能，被广泛应用于航空航天、船舶交通、化工和电子产品等行业。但由于其铸态的合金组织普遍粗大，具有各向异性的组织特征，导致其力学性能偏低，限制了其在结构材料中的应用。根据研究，晶粒细化是同时提高强度和塑性的有效方法。

但目前对于Ni及Ni基合金的细化晶粒的效果不显著，无法有效地诱导形成更加细小的等轴晶。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用溶质交互作用细化晶粒的Ni合金及其制备方法，其目的在于利用混合焓为-100～-120kJ/mol的两种元素的共同添加至Ni中，利用凝固过程中两种元素在固液界面前沿的偏析及其交互作用来抑制晶粒生长，从而达到利用微合金化即可促进柱状晶-等轴晶转变和细化晶粒的目的。由此解决目前Ni及Ni基合金的细化晶粒的溶质效果不够显著，无法有效地诱导形成更加细小的等轴晶的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种利用溶质交互作用细化晶粒的Ni合金，所述Ni合金通过下式表示：Ni_100-2x-Q_x-Z_x(at.％)，其中x为0.4～1.0，Q和Z为等原子比的金属细化元素和非金属细化元素，其中Q和Z的混合焓为-100～-120kJ/mol；所述Q的溶质分配系数小于1，所述Z的溶质分配系数小于1。

优选地，所述Q为钛，所述Z为碳。

优选地，所述Ni合金的晶粒为等轴晶粒，平均晶粒尺寸为150μm以下，具有组织均匀，晶粒细小、各向同性和元素添加量少的特点。

优选地，所述Ni合金的制备方法包括下列步骤：

S1，将满足化学计量比的Ni、Q和Z按照熔点由低到高的顺序依次放入水冷铜坩埚中，所述Z为碳，采用碳粉末的形式添加，并将其包埋于镍金属块当中，所述Q为钛，采用钛金属块的形式添加，并将其放置于镍金属块上方。

S2，在氩气气氛下进行电弧熔炼，并在熔炼过程中保持搅拌使元素扩散均匀，冷却凝固后得到纽扣锭；其中，所述电弧熔炼时施加横向涡流磁场，进而通过电磁搅拌促使元素快速扩散均匀，所述横向涡流磁场的电流强度不超过20A。所述电弧熔炼中，最大熔炼电流不超过500A，单次熔炼时间不少于3分钟，熔炼次数不少于5次。

S3，对所述纽扣锭经重力铸造以制得所述Ni合金。

优选地，在所述合金冷却凝固过程中，元素Q和Z被排斥到固液界面前沿。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果。