CN111321320A - 镍-钴材料及形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种镍‑钴材料和形成方法包括形成掺杂的镍‑钴前体材料。所述方法还包括热处理所述掺杂的镍‑钴前体材料，其中所述热处理包括至少在低于掺杂的镍‑钴前体材料中晶粒生长的起始温度的温区内加热。

Description

镍-钴材料及形成方法
技术领域
本公开总体上涉及材料和形成材料的方法，更具体地涉及镍-钴材料。
背景技术
关注确定可用于高周疲劳和低周疲劳设置的材料。例如，用于发动机或涡轮发动机环境或其他航空或航天环境的部件可能具有此类材料需求。
发明内容
在一个方面，本公开涉及形成材料的方法。所述方法可包括形成掺杂的镍-钴前体材料和热处理所述掺杂的镍-钴前体材料，其中所述热处理包括至少在低于掺杂的镍-钴前体材料中晶粒生长的起始温度的温度下加热，以形成经热处理的镍-钴材料。
附图说明
在附图中：
图1是具有包括根据本文描述的各方面的镍-钴材料的示例性部件的燃气涡轮发动机的示意性透视图。
图2是可在图1的部件中使用的示例性镍-钴材料的示意图。
图3是用于将前体材料形成为图2的镍-钴材料的电铸浴的示意图。
图4是图2的镍-钴材料的相图，包括在镍-钴材料形成期间晶粒生长的示例性起始温度。
图5是图3的前体材料的示意图。
图6是图5的前体材料在热处理以形成图2的镍-钴材料后的示意图。
图7是示例性应力-应变曲线图，其总体上比较了超细孪晶纳米晶体镍-钴晶粒与图2的镍-钴材料中的纳米晶体晶粒。
图8是将堆垛层错能与图2的镍-钴材料中的钴的百分数相关联的绘图。
图9是说明作为不锈钢形式的示例性金属的晶粒大小的函数的抗疲劳性的绘图。
图10是说明作为电沉积的镍形式的另一种示例性金属的晶粒大小的函数的抗疲劳性的绘图。
具体实施方式
航空涡轮发动机，特别是其中的流体输送系统，包括面临低周疲劳(LCF)和高周疲劳(HCF)两种环境的恶劣环境。具有标准粗晶粒退火的金属片和标准量规壁厚的管道的当前航空涡轮发动机设计是针对高度局部化的最坏情况应力条件而过度设计的。具有低应力的区域具有相同的均匀壁厚，并且通常是过度设计的。一般而言，虽然添加电铸过程是可定制的，其仅在需要的地方加入材料，但目前不存在具有高抗疲劳性、高温稳定性、强度和韧性的高性能电沉积的材料。
本公开的各方面涉及减少镍-钴材料的疲劳裂纹发生、传播和故障。本公开的各方面涉及具有优异的热稳定性、高强度低周疲劳和抗裂高周疲劳材料性能的纳米晶体镍基新型电沉积的合金。这导致通过电沉积过程有效地利用材料用于广泛的用途，包括用作涡轮发动机部件。
强度与晶粒大小之间的关系与位错与晶界之间的相互作用有关。在施加的应力下，存在于晶体晶格内或由塑性变形引发的位错可沿滑移面跨晶体晶格和沿晶界传播。位错倾向于在晶界处累积，因为晶界提供排斥应力，与位错的继续传播相反。当晶界的排斥应力超过位错的传播力时，位错不能越过晶界。随着位错累积，它们的集体传播力增加。采用这种方式，当位错的传播力超过晶界的排斥应力时，位错可跨过晶界移动。
减小晶粒大小也减小位错在晶界处的可能累积可用的空间，从而增加位错跨晶界传播所需的施加应力的量。移动位错所需的施加应力越高，屈服强度越高。因此，晶粒大小与强度之间存在一种逆关系，可用如下(1)中的霍尔-佩奇(Hall-Petch)关系来描述：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中σ为强度，a为晶粒大小。因此，根据霍尔-佩奇关系，材料的强度通常随着晶粒大小的减小而增加。由于这种关系是渐近的，材料强度通常随着晶粒大小减小到某个最小值而增加，低于该点时霍尔-佩奇关系不再成立。因此，仅通过减小晶粒大小可获得的强度增加是有限度的。
本发明公开的镍-钴材料和由其制成的部件可提供改进的抗疲劳性、强度和热稳定性。增强的抗疲劳性可至少部分归因于磷掺杂剂、镍-钴合金中钴的水平或对前体材料实施的热处理。一般而言，这些方面中的每一个可至少部分地有助于本发明公开的掺杂磷的镍-钴合金和部件的抗疲劳性、拉伸强度和热稳定性。此外，包括磷(例如用于稳定或钉扎)的本公开的各方面可用其他类似的成合金元素替换，在非限制性实例中包括硼或锰。此外，在非限制性实例中，本发明公开的材料还可包括其他合金，例如镍-磷、镍-钴-锰、镍-硼或钴-磷。
为了说明的目的，将在燃气涡轮发动机部件的背景中描述本公开的各方面。燃气涡轮发动机已用于陆地和海上的运动和发电，也常用于航空应用，如飞机或直升机。然而，应当理解，本公开不局限于此，并且可在非航空应用中具有一般的适用性，例如其他移动应用和非移动工业、商业和住宅应用。
如本文所使用，“一组”可包括任意数量的分别描述的元件，包括仅一个元件。此外，如本文所用，与给定表面“齐平”将指与该表面相齐或相切。此外，所有的方向基准(如径向、轴向、近端、远端、上部、下部、向上、向下、左、右、外侧、前、后、顶、底、上面、下面、垂直、水平、顺时针、逆时针、上游、下游、向后等)仅用于识别目的，以帮助读者理解本公开，且不造成限制，特别是关于本公开的位置、方向或应用。连接基准(例如，附加、耦合、连接和结合)用作广义解释，并且可包括元件集合之间的中间成员和元件之间的相对运动，除非另有说明。因此，连接基准不一定推断两个元件是直接连接的，并且彼此之间处于固定关系。示例性附图仅用于说明目的，并且所附的附图中反映的尺寸、位置、顺序和相对大小可变化。
在图1中说明示例性涡轮发动机10。涡轮发动机10可为燃气涡轮发动机，在非限制性实例中包括涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机或涡轮轴发动机。涡轮发动机10在下游串行流关系中包括：包括风扇20的风扇部分18、包括增压器或低压(LP)压缩机24和高压(HP)压缩机26的压缩机部分22、包括燃烧室30的燃烧部分28、包括HP涡轮34和LP涡轮36的涡轮部分32以及排气部分38。
风扇部分18包括围绕风扇20的风扇壳体40。风扇20包括多个径向布置的风扇叶片42。HP压缩机26、燃烧室30和HP涡轮34形成发动机10的芯44，其产生燃烧气体。芯44由芯壳体46包围，芯壳体46可与风扇壳体40耦合。压缩机部分22向燃烧室30提供高压空气。高压空气与燃料混合，并在燃烧室30中燃烧。热的和加压的燃烧气体经过HP涡轮34和LP涡轮36，然后从涡轮发动机10排出。
当加压气体通过压缩机部分22时，涡轮34、36从流经涡轮发动机10的气体流中提取转动能。HP涡轮34可通过轴与压缩机部分22的压缩机构(未示出)耦合，为压缩机构提供动力。LP涡轮36可通过轴与风扇20耦合，为风扇20提供动力。任选，涡轮发动机10还可具有加力燃烧室，该加力燃烧室在涡轮部分32的下游燃烧额外量的燃料，以增加废气的速度，从而增加推力。
涡轮发动机10的部件可能经受高温和应力，包括低周疲劳和高周疲劳，以及运行期间可能发生的其他干扰。此类部件的非限制性实例包括压缩机部分22或涡轮部分32内的旋转或固定翼型，或包括在芯壳体46中或与芯壳体46耦合的部件，包括吊架、护罩或密封件。这些部件可包括为周围环境的强度、弹性或温度要求而设计的材料，包括金属合金。
已确定，电沉积的纳米晶体镍-钴-磷材料具有增加抗疲劳性的独特的微观结构特征。这些特征显著增强裂纹产生的阻力，并增加断裂韧性。图2说明示例性经热处理的镍-钴材料或合金，其在此称为镍-钴材料100，可用于涡轮发动机10中的部件或其部分(图1)。示例性镍-钴材料100用非孪晶纳米晶体镍-钴晶粒(这里称为非孪晶晶粒101)以及孪晶纳米晶体镍-钴晶粒(这里称为孪晶晶粒102)说明。非孪晶晶粒101或孪晶晶粒102可均匀或不均匀地在整个镍-钴材料100中分布。在镍-钴材料100中也可利用超过图2所示尺寸的其他尺寸的结构或晶粒，包括非晶态金属结构或任何合适尺寸的孪晶或非孪晶晶粒，例如微晶晶粒或粗晶粒；然而，已确定，纳米晶体尺寸的晶粒为抗疲劳性提供额外益处。
晶粒101、102可具有处于纳米晶区的平均晶粒大小104。例如，“纳米晶区”可指具有纳米规格的晶粒大小(例如在一个非限制性实例中小于100 nm)的区域。
如所示的，沿着相邻晶粒101、102定义晶界106，并且在三个相邻晶粒101、102的接合处定义三接合微空隙108。孪晶晶粒102用第一孪晶111和第二孪晶112来说明，为了清晰，第一孪晶111用更暗来说明。
沉淀物(用磷沉淀物120说明)也可包括在镍-钴材料100中。在晶界106处说明磷沉淀物120。虽然为了清晰未显示，但磷沉淀物也可分散在晶粒101、102内(例如，在晶粒晶格内)以及在晶界106处。磷沉淀物120可提供齐纳(Zener)钉扎，通过抵抗位错或其他晶界的运动免于通过其传播的钉扎力，该齐纳钉扎抑制进一步的晶粒生长。在任何或所有晶粒101、102中，磷沉淀物120或晶内孪晶可提供额外的强度或抗疲劳性。还可预期，替代磷沉淀物120或除磷沉淀物120之外，可利用其它成合金材料(包括硼或锰)的沉淀物。
示例性镍-钴材料100可包括约30%至约35%原子量的钴、约1000 ppm至约3500 ppm原子量的磷以及作为材料的余量的镍。还预期可利用其他范围或比例的镍、钴或磷。在其他非限制性实例中，镍-钴材料100中镍的浓度可为约60%至约80%原子量。镍-钴材料100中钴的浓度可为约20%至约50%。镍-钴材料100中磷的浓度可为约500 ppm至约2000 ppm原子量。
图3说明示例性镍-钴材料100可通过使用电沉积过程，生产掺杂的镍-钴前体材料(这里称为前体材料130)来形成。前体材料130可使用任何合适的电沉积过程(例如Watts浴)来形成。可使用含有镍源142和钴源144的电沉积浴140来进行电沉积过程。任选，磷源(未显示)可包括在电沉积浴140内或作为液体溶液单独加入。电沉积浴140可另外包括硼酸或其盐，以防止电极表面钝化或镍还原并充当表面剂；一种或多种螯合剂或络合剂，用于螯合或络合电沉积浴中的特定离子；或糖精抑制剂，以控制晶粒大小。此外，电沉积浴可包括一种或多种表面活性剂以减少点蚀倾向。电沉积浴还可包括浓度小于1%重量的各种其他添加剂，包括缓冲剂、润湿剂、晶粒细化剂、光亮剂等。
用于电沉积浴140的镍源142可包括硫酸镍、次磷酸镍、氧化镍、碳酸镍或氯化镍，以及这些的组合。优选，镍源142包括硫酸镍。镍源142可以约50 mM至约1 M，例如约250 mM至约750 mM的离子浓度提供。
用于电沉积浴140的钴源144可包括硫酸钴、氯化钴或碳酸钴，以及这些的组合。优选，钴源144包括硫酸钴。钴源可以约10 mM至约100 mM，例如约25 mM至约75 mM的离子浓度提供。
用于电沉积浴140的磷源146可包括次磷酸或次磷酸盐。示例性次磷酸盐包括次磷酸钠、次磷酸钾、次磷酸镍或次磷酸铵，或碱金属或碱土金属的其他次磷酸盐，以及这些的组合。优选，磷源146包括次磷酸钠。磷源146可以约50 mM至约500 mM，例如约100 mM至约250 mM的离子浓度提供。
电沉积浴中可包括一种或多种螯合剂148或络合剂150。示例性螯合剂148包括丙二酸、草酸、琥珀酸、柠檬酸、苹果酸、马来酸、酒石酸、乙二胺、乙二胺四乙酸(EDTA)、三亚乙基四胺、二亚乙基三胺、肼撑苯、氨基酸以及上述任一种的盐。示例性络合剂150包括乙酸、丙酸、乙醇酸、甲酸、乳酸、甘氨酸以及上述任一种的盐。螯合剂或络合剂的盐形式可包括碱金属盐或碱土金属盐、铵盐、镍盐和钴盐。优选，电沉积浴140包括至少一种螯合剂148和至少一种络合剂150。一种或多种螯合剂148可以约10 mM至约250 mM，例如约25 mM至约200mM的浓度提供。一种或多种络合剂150可以约100 mM至约750 mM，例如约250 mM至约500 mM的浓度提供。用于电沉积浴的示例性表面活性剂包括辛基苯酚乙氧基化物(例如TritonTMX-100等)、辛基苯氧基聚乙氧基乙醇(例如IGEPALTM CA-630等)、十二烷基硫酸钠(SDS)等。一种或多种表面活性剂可以约10至约1000 ppm重量的浓度提供。
可通过将各种组分在水性载体中组合来制备浴溶液152。通常，可使用适当的酸性剂(例如，次磷酸、邻磷酸或硫酸)和适当的碱性剂(例如，氢氧化钠)将浴溶液152保持在约3.3至4.3，例如约3.5至4.0的酸性pH。电沉积浴140包括一个或多个阳极154，例如镍源142、钴源144或磷源146，其可将离子释放到电沉积浴中。电沉积浴140还可包括一个或多个阴极156。一个或多个阴极156可用作限定在其上沉积的前体材料130的形状的心轴157。心轴157可包括允许前体材料130从其容易分离的氧化物涂层。
电沉积过程可在低于约60℃，例如约40℃至55℃的浴温度下进行。可利用多种电流密度，包括调制电流密度。一个示例性电流密度可在约5-500 mA/cm2范围内。
可改变电沉积浴140的一个或多个参数，以提供所需的前体晶体结构，包括纳米晶体晶粒区域的沉积。例如，在某些方面，脉冲电镀技术可用于改变现有晶粒的成核速率和生长，例如通过改变峰值电流密度、脉冲启动时间和脉冲关闭时间，或通过反向脉冲。脉冲电镀可特别有吸引力，因为它可产生比通过直流电镀可实现的更细的晶粒结构。提供所需前体晶体结构的其他电沉积参数，例如提供可变的浴组成、搅拌速率、pH等。
可选择电沉积条件，包括浴化学和脉冲参数，以便提供具有所需结构的所得前体材料，例如掺杂的镍-钴前体材料130。在一些方面，前体材料130可具有金属结构，包括由纳米晶体晶粒结构构成的晶区。可任选地包括非晶区，并且在这种情况下，可选择前体材料130中非晶区与晶区的比例，以便在热处理之后实现期望的热稳定或强化。
在一个非限制性实例中，电沉积过程可提供基本上呈掺杂磷的镍-钴材料(包括纳米晶体晶粒材料)形式的前体材料130。纳米晶体晶粒材料可具有小于约100 nm，例如约50nm至约100 nm的晶粒大小分布。作为另一实例，电沉积过程可提供基本上呈掺杂硼的镍-钴纳米晶体晶粒材料形式的前体材料130，其晶粒大小分布为约50至100 nm。
一旦电沉积完成，使用任何期望的热处理系统，包括例如间歇炉或连续炉，前体材料130可经受热处理。当如本文所述经受热处理时，这种前体材料可表现出相对高的抗疲劳性、延展性或拉伸强度。
预期可提供受控气氛。受控气氛可向热处理系统供应一种或多种气体，任选在负压环境下。作为实例，一种或多种气体可包括氢气、氮气、氩气、氨、二氧化碳、一氧化碳、氦气、碳氢化合物(例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等)或蒸汽，以及这些的组合。一种或多种气体可提供吸热气氛或放热气氛。特定的热处理时间和温度时间表将取决于前体材料130的组成和热处理后期望的所得特性。
预期前体材料130可经受沉淀物强化热处理。图4说明镍-钴材料100的相图160，其上叠加有用于沉淀物强化热处理的示例性热处理区。
热处理可在低于晶粒生长的起始温度的温度下或在低于晶粒生长的起始温度的温区内实施，以提供沉淀物强化热处理。通过对前体材料实施等时热处理测试，可确定前体材料中晶粒生长的起始温度。在说明的示例中，具有30%钴的掺杂磷的镍-钴合金的基线起始温度T起始可为约700 K。然而，将理解，晶粒生长的起始温度可根据前体材料的组成而变化。沉淀物强化热处理提供磷沉淀物120，其可引起齐纳钉扎。沉淀物强化热处理可在恒温下实施。或者，温度可变化，例如根据包括一系列热处理温度的热处理循环。任选，可将由第一沉淀物强化热处理得到的材料缓慢地淬火或冷却。
在其他非限制性实例中，沉淀物强化热处理可包括在约600 K至约750 K的温区内热处理，例如在非限制性实例中，约630 K至约700 K。在其他非限制性实例中，沉淀物强化热处理可根据热处理循环在温区内实施，持续一定时间段，该热处理循环包括一个或多个温度升高直到晶粒生长的起始温度。例如，在起始温度为700 K的情况下，示例性沉淀物强化热处理可包括根据约630 K至约700 K的温区内的循环进行热处理，其中第一部分循环在约630 K至约670 K的温区内进行，以及第二部分循环在约670 K至约700 K的温区内进行。
在电沉积过程中，足以形成晶内孪晶的剪切应力的量可用临界剪切孪晶应力τcrit来描述，如下等式2所示：
Figure 157910DEST_PATH_IMAGE002
其中b是伯格斯(Burgers)矢量，表示由晶格中的位错引起的晶格畸变的量级和方向。当堆垛层错能较低时，由于临界剪切孪晶应力将较低，增加镍-钴合金中的钴浓度有利于晶内孪晶。在施加的载荷(例如谐振)下，在镍-钴材料100中也可形成变形孪晶。
在热处理过程中形成的晶内孪晶(例如第一孪晶111和第二孪晶112)可称为退火孪晶。形成退火孪晶的概率p可关于晶粒大小D和与材料相关的常数B (该常数与堆垛层错能成反比)来描述，如下等式3所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中D 0是p为零的晶粒大小。由于B与堆垛层错能成反比，与镍-钴材料100中钴浓度增加相关联的低堆垛层错能也有利于形成退火孪晶。
单独或组合地，镍-钴材料100的钉扎晶界106的磷沉淀剂120的存在，或由于镍-钴材料100中钴水平升高而引起的晶内孪晶，可提供镍-钴材料100提高的热稳定性。热稳定性可参考镍-钴合金中晶粒生长的起始温度T 起始来表征。通常，镍-钴合金中晶粒生长的起始温度对应于合金熔化温度T 熔化的约40%。然而，磷沉淀剂120的引入或钴水平的升高可分别通过钉扎或晶内孪晶提高起始温度。在某些方面，镍-钴材料100中晶粒生长的起始温度T 起始可提高到合金熔化温度T 熔化的约50%或60%。
现在参考图5，掺杂磷的镍-钴前体材料130用一组非孪晶、未经热处理的纳米晶体镍-钴晶粒(这里称为未经处理的晶粒170)来说明。前体材料130的未经处理的晶粒170作为非孪晶晶粒说明。一些未经处理的晶粒170可呈现孪晶，并且还预期一些未经处理的晶粒170在电沉积后可具有单一晶粒取向。
图6说明经过如上所述的热处理以形成具有非孪晶晶粒101和孪晶晶粒102的经热处理的镍-钴材料100后的图5的前体材料130。如上所述，热处理可包括至少在低于掺杂的镍-钴前体材料130中晶粒生长的起始温度的温度下或在低于掺杂的镍-钴前体材料130中晶粒生长的起始温度的温区内加热，包括在约650 K至约700 K的温区内加热，以形成经热处理的镍-钴材料100。热处理可形成孪晶102。热处理还可沿晶界160(如所示的)或在晶粒101、102内(为清楚起见，未显示)形成磷沉淀物120。磷沉淀物120可提供如上所述的齐纳钉扎。
晶内孪晶也可在高温或高应力操作条件下发生，进一步为由本发明公开的镍-钴材料100形成的部件提供热稳定性。由于通过晶粒生长引入的剪切应力，可发生晶内孪晶，这种剪切应力可由位于迁移晶界的堆垛层错引起，以及由晶界解离、晶粒相遇或生长事故引起。
示例性裂纹传播或故障路径190通过镍-钴材料100显示，例如在循环载荷或拉伸应力下。故障路径190作为包括晶间和穿晶故障模式说明。例如，说明了故障路径190的四个示例性部分。第一部分191在穿晶故障模式下遵循孪晶晶粒102的第一孪晶111。第二部分192在晶间故障模式下遵循晶界106。第三部分193在穿晶故障模式下遵循另一孪晶晶粒102的第一孪晶111，而第四部分194在另一穿晶故障模式下穿过再一孪晶晶粒102的第一孪晶111和第二孪晶112。
相比之下，通过典型的镍-钴合金的裂纹传播路径倾向于沿晶界遵循晶间故障模式，与穿晶故障模式相比，晶间故障模式以相对更低的拉伸应力发生。可理解，与其他典型的镍-钴合金相比，经热处理的镍-钴材料100具有更高的强度。
转到图7，图200说明示例性应力-应变曲线，其说明晶内孪晶的影响。与仅具有钉扎的纳米晶体晶粒结构相比，具有钉扎和晶内孪晶二者的纳米晶体晶粒结构可表现出改进的强度或延展性。晶内孪晶以相干孪晶间界的形式提供额外的界面障碍物，这以与减小的晶粒大小类似的方式有助于拉伸强度，然而这些相干孪晶间界提供可有助于延展性的滑移面。晶内孪晶间界处的滑移面可根据局部几何构造和应力在不同程度上有助于提高的延展性。
图8显示说明镍-钴合金的堆垛层错能作为钴含量的函数的图300。如所示的，镍-钴合金的堆垛层错能随合金中钴百分数的增加而减小。例如，具有约10%钴的镍-钴合金的堆垛层错能可为约125 mJ/m2，而具有约30%钴的合金的堆垛层错能可为约75 mJ/m2，或者具有约40%钴的合金的堆垛层错能可为约40 mJ/m2。与非合金镍相比，镍-钴合金(如镍-钴材料100)由于堆垛层错能(SFE)的降低，可具有更大的倾向产生孪晶。如图8所示，镍-钴材料100中Co百分数的增加(包括至多约50%的浓度)可进一步降低堆垛层错能。控制和调整钴的浓度也可用于改进延展性以及热和畸变强化。例如，100% Ni的堆垛层错能为约125 mJ/m2。对于具有30% Co的NiCo，其降低至约75 mJ/m2，而对于具有40% Co的NiCo，其可进一步降低至约40 mJ/m2。
图9说明对于示例性金属(更具体地不锈钢，例如SS304)，关于作为晶粒大小的函数的抗疲劳性的图400。说明的晶粒大小为47 μm(用圆绘制)、17 μm(用三角形绘制)和3 μm(用正方形绘制)。例如，可将不锈钢放置在循环载荷下，并且在一定范围的施加应力下，可通过多次循环来测量抗疲劳性，直到材料疲劳(例如通过断裂)。所示的所有晶粒大小证明施加的应力越低，抗疲劳性越大。此外，所有晶粒大小具有“无限生命力”，其中在一定的施加应力下或低于一定的施加应力，至断裂的循环数极大，或是“无限的”。例如，如果考虑的材料用于在材料的“无限生命力”处或低于材料的“无限生命力”经受施加的应力的部件，则在部件的寿命期内，此类部件在运行期间将不预期经受疲劳(例如裂纹传播)。从图400可看出，随着晶粒大小的减小，整体疲劳裂纹抗力增加。晶粒大小、孪晶数量以及孪晶厚度或宽度可影响裂纹的传播和材料的无限生命力的量级。
图10说明对于电沉积的镍形式的另一种示例性金属，关于作为晶粒大小的函数的抗疲劳性的图500。说明的晶粒大小为纳米晶体镍、超细晶粒镍和微晶镍。与图9所示的相似，整体疲劳裂纹抗力随着晶粒大小的减小而增大。
参考图9和图10，可理解，如本文所述的镍-钴材料100的各方面在较小的晶粒大小下提供增加的抗疲劳性。例如，镍-钴材料100的晶粒大小可小于100nm，包括约85nm。已确定晶粒和孪晶大小或宽度与裂纹产生和疲劳故障应力之间的直接关系。在这种情况下，与较大的晶粒大小相比，纳米晶粒的材料在较大的应力下发生裂纹产生。纳米晶体镍-钴材料100也可证明高疲劳故障强度或材料断裂韧性。在一个实例中，镍-钴材料可表现出约10MPa·m1/2至70 MPa·m1/2的断裂韧性。在另一实例中，镍-钴材料100可表现出大于400 Hv的维氏硬度。
形成诸如镍-钴材料100的材料的方法包括通过电沉积过程形成掺杂的镍-钴前体材料100并热处理该掺杂的镍-钴前体材料100，其中所述热处理包括至少在低于掺杂的镍-钴前体材料100中晶粒生长的起始温度的温度下加热，以形成经热处理的镍-钴材料100。掺杂的镍-钴前体材料100可包括如上所述的掺杂磷的镍-钴材料或掺杂硼的镍-钴材料中的至少一种。任选，利用掺杂磷的镍-钴材料的实例可包含约30%至约35%原子量的钴、约1000ppm至约1500 ppm原子量的磷以及作为材料的余量的镍。
如上所述，热处理可形成在纳米晶体晶界处的磷沉淀物或晶内孪晶的至少一种。掺杂磷的镍-钴材料可包括具有约50至100 nm的晶粒大小分布的纳米晶体晶粒结构。掺杂磷的镍-钴材料可表现出约10 MPa·m1/2至70 MPa·m1/2的断裂韧性，约1000 MPa至约1500MPa的极限拉伸强度，并且具有提高的热稳定性，起始温度为合金熔化温度的约50%或60%，如上所述。此外，该方法还可包括将经热处理的镍-钴材料加工成如上所述的飞机部件。
本文所述的所公开的镍-钴材料的各方面提供各种益处，包括改进的抗疲劳性和材料硬度。本公开的各方面提供一种具有优异的热稳定性、高强度低周疲劳和抗裂高周疲劳材料性能的纳米晶体镍基新型电沉积的合金。这导致通过电沉积过程有效利用材料用于宽泛的部件，包括放置在各种应力和疲劳条件下的涡轮发动机部件。
到尚未描述的程度，可根据需要将各种实施方式的不同特征和结构彼此组合使用。一个特征可能没有在所有实施方式中说明，并且不意味着解释为不能用于所有实施方式中，而是为了描述的简洁性而这么做。因此，可根据需要混合和匹配不同实施方式的各种特征，以形成新的实施方式，无论是否明确描述了新的实施方式。本公开涵盖本文所述的特征的所有组合或排列。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他实例。如果这些其他实例的结构元件与权利要求书的文字语言没有区别，或者如果它们包括与权利要求书的文字语言无实质性区别的等效结构元件，则这些其他实例意图在权利要求书的范围内。
本发明的其他方面由以下条款的主题提供：
1. 一种形成材料的方法，所述方法包括形成掺杂的镍-钴前体材料，热处理所述掺杂的镍-钴前体材料，其中所述热处理包括至少在低于掺杂的镍-钴前体材料中晶粒生长的起始温度的温度下加热，以形成经热处理的镍-钴材料。
2. 根据条款1所述的方法，其中所述掺杂的镍-钴前体材料包含掺杂磷的镍-钴材料或掺杂硼的镍-钴材料中的至少一种。
3. 根据前述条款中任意一项所述的方法，其中所述掺杂磷的镍-钴材料包含约25%至约40%原子量的钴、约1000 ppm至约3500 ppm原子量的磷以及作为材料的余量的镍。
4. 根据前述条款中任意一项所述的方法，其中所述热处理在纳米晶体晶界处形成磷沉淀物。
5. 根据前述条款中任意一项所述的方法，其中所述热处理形成晶内孪晶。
6. 根据前述条款中任意一项所述的方法，其中所述经热处理的镍-钴材料包含具有约50至100 nm的晶粒大小分布的纳米晶体晶粒结构。
7. 根据前述条款中任意一项所述的方法，其中所述经热处理的镍-钴材料表现出约10 MPa·m1/2至70 MPa·m1/2的断裂韧性。
8. 根据前述条款中任意一项所述的方法，其中所述热处理进一步包括在约600 K至约750 K的温区中热处理。
9. 根据前述条款中任意一项所述的方法，其中所述经热处理的镍-钴材料表现出约1000 MPa至约1500 MPa的极限拉伸强度。
10. 根据前述条款中任意一项所述的方法，其中所述形成掺杂的镍-钴前体材料进一步包括电铸所述掺杂的镍-钴前体材料。
11. 一种包含主体的部件，其中其至少一部分包括具有纳米晶体晶粒结构、钉扎和晶内孪晶的热稳定的镍-钴合金，其表现出约10 MPa·m1/2至70 MPa·m1/2的断裂韧性、提高的热稳定性、合金熔化温度的约50%或60%的起始温度和约1000 MPa至约1500 MPa的极限拉伸强度。
12. 根据前述条款中任意一项所述的部件，其中所述纳米晶体晶粒结构包括约50nm至约110 nm的晶粒大小分布。
13. 根据前述条款中任意一项所述的部件，其中所述镍-钴合金包括化学组成，其包含约30%至约35%原子量的钴、约1000 ppm至约1500 ppm原子量的磷或硼以及作为材料的余量的镍。
14. 一种镍-钴材料，其包含具有约50 nm至约110 nm的晶粒大小分布的纳米晶体晶粒结构，所述纳米晶体晶粒结构包含在纳米晶体晶界处的磷沉淀物和晶内孪晶，所述材料具有化学组成，其包含约25%至约40%原子量的钴、约1000 ppm至约3500 ppm原子量的磷或硼以及镍。
15. 根据前述条款中任意一项所述的镍-钴材料，其中镍构成材料的余量。
16. 根据前述条款中任意一项所述的镍-钴材料，其中所述镍-钴材料中的疲劳裂纹抗力随着纳米晶体晶粒大小的减小而增加。
17. 根据前述条款中任意一项所述的镍-钴材料，其中所述镍-钴材料表现出大于400 Hv的维氏硬度。
18. 根据前述条款中任意一项所述的镍-钴材料，其中所述镍-钴材料表现出约10MPa·m1/2至70 MPa·m1/2的断裂韧性。
19. 根据前述条款中任意一项所述的镍-钴材料，其中所述镍-钴材料表现出增加的热稳定性，合金熔化温度的约50%或60%的起始温度。
20. 根据前述条款中任意一项所述的镍-钴材料，其中所述镍-钴材料表现出约1000 MPa至约1500 MPa的极限拉伸强度。

Claims (10)

1.一种形成材料的方法，所述方法包括：
形成掺杂的镍-钴前体材料；以及
热处理所述掺杂的镍-钴前体材料，其中所述热处理包括至少在低于掺杂的镍-钴前体材料中晶粒生长的起始温度的温度下加热，以形成经热处理的镍-钴材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述掺杂的镍-钴前体材料包含掺杂磷的镍-钴材料或掺杂硼的镍-钴材料中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述掺杂磷的镍-钴材料包含约25%至约40%原子量的钴、约1000 ppm至约3500 ppm原子量的磷以及作为材料的余量的镍。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述热处理在纳米晶体晶界处形成磷沉淀物。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述热处理形成晶内孪晶。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述经热处理的镍-钴材料包含具有约50至100 nm的晶粒大小分布的纳米晶体晶粒结构。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述经热处理的镍-钴材料表现出约10MPa·m1/2至70 MPa·m1/2的断裂韧性。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述热处理进一步包括在约600 K至约750 K的温区中热处理。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述经热处理的镍-钴材料表现出约1000 MPa至约1500 MPa的极限拉伸强度。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述形成掺杂的镍-钴前体材料进一步包括电铸所述掺杂的镍-钴前体材料。
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