CN113308628A

CN113308628A - 一种高强度块体纳米结构的镍基合金及其制备方法

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Publication number: CN113308628A
Application number: CN202010122441.4A
Authority: CN
Inventors: 张勇; 戚月; 安心来; 蒋舟雯; 袁圣云
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2020-02-27
Filing date: 2020-02-27
Publication date: 2021-08-27
Anticipated expiration: 2040-02-27
Also published as: CN113308628B

Abstract

本发明提供了一种高强度块体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。本发明利用传统双辊轧机对低层错能面心立方镍基合金进行逐道次轧制处理，通过调控轧制道次以及每道次下压量精确地控制轧制变形量，随着轧制变形量增加，被处理的镍基合金的微观结构中观察到位错、层错、纳米孪晶和纳米晶。当轧制变形量超过40%，被处理的镍基合金中微观结构尺寸达到纳米量级，以纳米孪晶或纳米晶为主，且其中布满位错和层错，处理后的镍基合金的屈服强度达到1000~1500MPa，是未处理镍基合金屈服强度的3.2~4.8倍。该方法操作简单，对设备要求低，成本低，生产效率高，容易实现工业化生产，处理后的镍基合金为高强度块体纳米结构。

Description

一种高强度块体纳米结构的镍基合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及纳米结构金属材料技术领域，具体涉及一种高强度块体纳米结构的镍基合金及其制备方法。

背景技术

镍基高温合金是一种极为重要的高温结构材料，该合金具有良好高温强度、优良的抗氧化和耐腐蚀性能以及较好的热稳定性，被应用于包括航空发动机叶片在内的众多领域。但是其强度相对较低，使其抗初次碰撞能力减弱，降低了防护能力，制约了其广泛应用。而且，随着航空航天和发电行业的快速发展，对镍基合金材料的强度提出了新的、更高的要求。优化其结构进而提升性能受到了广泛的关注，其中细化晶粒是提高性能的有效办法之一。

纳米结构金属材料由于其优异性能，成为材料科学研究的热点。目前，塑性变形技术由于简单高效，适用范围广，是制备纳米金属材料的主要方法之一。其基本原理是通过塑性变形引入位错和界面显著细化材料晶粒。然而，塑性变形诱导晶粒细化效果与变形方式及材料属性密切相关。从目前的研究情况来看，主要有以下不足：1、制备技术或制备工艺复杂，成本较高。2、大部分技术都集中在粉末/表面/薄膜样品，样品外形尺寸使研究和应用受到极大的限制。3、制备过程中常常会引入孔隙等缺陷，严重降低材料性能。4、变形诱导晶粒细化效果与变形方式及材料属性密切相关，在以位错滑移为主导变形机制的高层错能金属材料（如Ni，Fe，Al及其合金）体系中，由于微观结构的稳定性随结构尺寸的减小而降低，晶粒细化至亚微米尺度（100~300nm）时趋于饱和，进一步增加应变晶粒不再细化，存在一个晶粒尺寸极限。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种具有高强度块体纳米结构的镍基合金及其制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种高强度块体纳米结构的镍基合金，该镍基合金是一种低层错能面心立方高温合金，微观结构以纳米孪晶或纳米晶为主，其中布满位错和层错，屈服强度达到1000~1500MPa。

较佳的，该镍基合金中孪晶与基体组成的片层的厚度或者纳米晶的尺寸在5~50nm。

较佳的，镍基合金中化学元素按原子百分比(at.%)计量如下：Ni:59.50～64.0%，Cr:20.0～24.0%，W:13.0～15.0%，Mo:1.0～2.0%，Co:0.94～1.33%，Mn:0.3～1.0%，Si:0.25～0.75%，Al:0.2～0.5%，Fe:0.2～0.5%，C:0.05～0.15%，P:0.001～0.03%，S:0.001～0.015%。

一种制备上述高强度块体纳米结构的镍基合金的方法，具体步骤如下：

（1）对待处理的镍基合金进行固溶处理并通过水冷得到结构均匀、无大量碳化物析出的单相镍基合金；

（2）调整轧辊间距至小于待处理的单相镍基合金的厚度，轧辊间距与待处理的单相镍基合金厚度的差值称为轧制下压量；

（3）将待处理的单相镍基合金通过轧辊间隙进行轧制处理；

（4）重复步骤（2）~（3），对待处理的单相镍基合金进行连续逐道次轧制处理，直至变形量超过40%。

较佳的，步骤（1）中，待处理的镍基合金的形状为板状或块状，其厚度不超过轧辊的最大间距，轧制表面为平面。

较佳的，步骤（1）中，固溶处理为在1222°C下保温24h。

较佳的，步骤（3）中，轧制处理采用双辊轧机，轧辊转速为15~25r/min，每道次轧制下压量为0.5~1mm。

较佳的，步骤（4）中，通过调控轧制道次和每道次下压量，使轧制变形量控制在40~99.9%，优选45~80%。

较佳的，步骤（4）中，待处理的单相镍基合金经轧制处理发生均匀的剧烈塑性变形，微观结构产生位错和界面而显著细化晶粒，变形量超过40%时，镍基合金的微观结构尺寸达到纳米级别。

本发明与现有技术相比，其显著优点如下：

（1）本发明可制备块体纳米结构镍基合金，通过控制轧制道次和每道次下压量精准控制塑性变形量、晶粒细化程度和微观结构。

（2）本发明所采用的轧制处理在工艺上有着操作简单，对设备要求低，成本低，生产效率高等优点，容易实现工业化生产。

（3）镍基合金为低层错能合金，在塑性变形过程中以孪生变形为主，晶粒细化尺寸可到5~50nm。

（4）本发明不改变材料化学成分，保留镍基合金本身的固溶强化效果的同时，通过细化晶粒、改变微观结构将镍基合金的强度大幅度提高至1000MPa以上，强化机制可以用Hall-Petch关系解释。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为实施例1中45%轧制变形量镍基合金中纳米孪晶的透射电子显微镜图像。

图2为实施例2中80%轧制变形量镍基合金中纳米晶的透射电子显微镜图像。

图3为实施例2中80%轧制变形量镍基合金中纳米孪晶的透射电子显微镜图像。

图4为实施例1和2中经过轧制处理的镍基合金屈服强度和未处理镍基合金的屈服强度比较。

图5为本发明所述的轧制处理的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。本发明的主要目的是利用轧制处理的方法，制备一种高强度块体纳米结构镍基合金。首先对镍基合金进行固溶处理并水冷，得到结构均匀、无大量碳化物析出的单相镍基合金。然后采用双辊轧机，轧辊转速为15~25r/min，每道次轧制下压量为0.5~1mm对镍基合金进行轧制处理。如图5所示，轧制处理是将镍基合金通过转速相同的相对回转的轧辊间隙，合金由摩擦力拉进旋转轧辊之间，并由于受到轧辊的轧制力而发生均匀塑性变形，合金截面减小，长度增加。通过控制轧制道次控制镍基合金的变形量，变形量是指镍基合金厚度的减小量与原始厚度的比值，通过调控轧制道次和每道次下压量，轧制变形量在40~99.9%可控，对镍基合金进行多道次轧制处理直至镍基合金的变形量达到需求。

镍基合金经轧制处理发生剧烈塑性变形，微观结构中产生位错和界面而显著细化晶粒，变形量超过40%时镍基合金的微观结构尺寸达到纳米级别，微观结构以纳米孪晶或纳米晶为主，且其中布满位错和层错，该镍基合金中孪晶与基体组成的片层的厚度为5~50nm，或者纳米晶的尺寸为5~50nm，即结构尺寸为5~50nm，屈服强度达到1000~ 1500MPa。

实施例1

利用轧制处理获得含位错、层错和纳米孪晶的具有较高的屈服强度的镍基合金。所述镍基合金中化学元素按原子百分比(at.%)计量如下：Ni:63.02%，Cr:27.38%，W:4.55%，Mo:1.35%，Co:1.22%，Mn:0.52%，Si:0.60%，Al:0.60%，Fe:0.26%，C:0.47%，P:0.02%，S:0.01%。

所述轧制处理参数为：镍基合金为块状，尺寸为30mm×15mm×10mm，轧辊以20 r/min的转速工作，每道次轧制下压量为0.5mm，进行10道次轧制后，除去镍基合金的变形回复，轧制变形量为45%。

本实施例中所得镍基合金中存在大量纳米孪晶结构，在孪晶与基体组成的片层中布满了位错和层错，孪晶与基体组成的片层的平均厚度~39.2nm。45%轧制变形量镍基合金屈服强度达到1210MPa，是未处理镍基合金的3.9倍。本实施例镍基合金的编号为#1，如图1所示为45%轧制变形量镍基合金中纳米孪晶的透射电子显微镜图像，轧制处理显著细化了镍基合金的晶粒，提高了镍基合金的强度。

实施例2

与实施例1不同之处在于：

利用轧制处理获得含位错、层错、纳米孪晶和纳米晶的具有较高的屈服强度的镍基合金。所述镍基合金中化学元素与实施例1相同。

所述轧制压处理参数为：镍基合金为块状，尺寸为30mm×15mm×10mm，轧辊以20r/min的转速工作，每道次轧制下压量为1mm，进行9道次轧制后，除去镍基合金的变形回复，轧制变形量为80%。

本实施例中所得镍基合金中存在大量纳米晶以及少量纳米孪晶结构，在纳米晶和孪晶与基体组成的片层中均布满了位错和层错，纳米晶平均晶粒尺寸~39.0nm，孪晶与基体组成的片层的平均厚度~15.0nm，镍基合金平均结构尺寸为~38.2nm。80%轧制变形量镍基合金屈服强度达到1456MPa，是未处理镍基合金的4.7倍。本实施例镍基合金的编号为#2，如图2为80%轧制变形量镍基合金中纳米晶的透射电子显微镜图像，图3为80%轧制变形量镍基合金中纳米孪晶的透射电子显微镜图像，轧制处理显著细化了镍基合金的晶粒，提高了镍基合金的强度。

比较例1

文献刘刚,刘金阳,王小兰.异步轧制纯Ti薄板表面纳米晶的形成[J].金属学报,2013(49):599-604.中提到Liu等人对工业纯Ti板材进行异步轧制处理，上下轧辊线速度比为1.31，轧制道次20次，总下压量83%，成功在工业纯Ti表面形成了等轴状、尺寸介于30~60nm的纳米结构，该纳米结构层厚度在~60μm，证明异步轧制处理可以使大尺寸金属板材在轧制过程中实现表面纳米化。该方法能够有效将晶粒尺寸细化至100nm以下，但是纳米结构层比较薄，仅存在于板材表面，而本发明可制备块体的纳米结构材料，尺寸不受限制。

比较例2

文献王点,李仲洋,彭武贤.累积叠轧TC4合金超细晶组织的制备[J].稀有金属材料与工程,2018(47):190-197.中提到Wang等人采用累积叠轧的技术对TC4合金进行处理，研究了叠轧工艺参数和热处理制度对叠轧板材界面结合和微观组织的影响。研究发现随着叠轧层数的增加，条带组织的间距逐渐变小，同时剪切带形貌逐渐增多，在叠轧达到16层（即变形量为93.75%）后，微观结构中条带间距为245nm。该处理方法操作简单，在一定程度上细化了晶粒，但是细化效果远不如本发明的细化效果好。

比较例3

文献Monteiro, W, Silva, S, Silva, L, et al. Characterization of nickelalloy 600 with ultra-fine structure processed by severe plastic deformationtechnique (SPD) [J]. Journal of Materials Science and Chemical Engineering,2017,5(04):33-44.中提到Monteiro等人利用室温等通道复合挤压（ECAP，Bc路径）加工Inconel 600镍基合金，制备了晶粒尺寸在~200 nm的小块体纳米结构镍基合金，微观硬度为~313HV（屈服强度~1000MPa）。该方法在一定程度上能够细化晶粒并且提高合金的强度，但是效果均不如本发明显著，而且处理工艺对设备要求高，本发明只需传统双辊轧机，简单便捷成本低。

结果表明，本发明提出轧制处理镍基合金的微观结构以纳米孪晶或纳米晶为主，其中布满了位错和层错，结构尺寸为5~50nm，屈服强度达到1000~1500MPa，是未处理镍基合金屈服强度的3.9~4.7倍。该方法操作简单，对设备要求低，成本低，生产效率高，容易实现工业化生产，能够成功制备出高强度的块体纳米结构镍基合金。

Claims

1.一种高强度块体纳米结构的镍基合金，其特征在于，该镍基合金是一种低层错能面心立方高温合金，微观结构以纳米孪晶或纳米晶为主，其中布满位错和层错，屈服强度达到1000~1500MPa。

2.如权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，该镍基合金中孪晶与基体组成的片层的厚度或者纳米晶的尺寸在5~50nm。

3.如权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，镍基合金中化学元素按原子百分比(at.%)计量如下：Ni:59.50～64.0%，Cr:20.0～24.0%，W:13.0～15.0%，Mo:1.0～2.0%，Co:0.94～1.33%，Mn:0.3～1.0%，Si:0.25～0.75%，Al:0.2～0.5%，Fe:0.2～0.5%，C:0.05～0.15%，P:0.001～0.03%，S:0.001～0.015%。

4.一种制备如权利要求1-3任一所述的镍基合金的方法，其特征在于，具体步骤如下：

（3）将待处理的单相镍基合金通过轧辊间隙进行轧制处理；

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，待处理的镍基合金的形状为板状或块状，其厚度不超过轧辊的最大间距，轧制表面为平面。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，固溶处理为在1222°C下保温24h。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，轧制处理采用双辊轧机，轧辊转速为15~25r/min，每道次轧制下压量为0.5~1mm。

8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤（4）中，通过调控轧制道次和每道次下压量，使轧制变形量控制在40~99.9%，优选45~80%。