CN116043065B - 一种耐蚀纳米孪晶镍基合金及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种耐蚀纳米孪晶镍基合金及其制备方法和应用，所述耐蚀纳米孪晶镍基合金的微观结构包括纳米孪晶晶粒和再结晶晶粒，所述纳米孪晶晶粒占所述耐蚀纳米孪晶镍基合金的体积分数80％以上，所述再结晶晶粒占所述耐蚀纳米孪晶镍基合金的体积分数小于20％；所述制备方法通过将镍基合金铸锭依次进行均匀化处理、热轧、冷轧和退火热处理，得到了同时具有优良的耐蚀性和优异的综合力学性能的耐蚀高强韧的纳米孪晶镍基合金。本发明所述耐蚀纳米孪晶镍基合金的制备工艺简单易控、加工成本低、产品尺寸大，适合作为复杂高浓碱性工业生产环境中的耐蚀结构材料。

Description

一种耐蚀纳米孪晶镍基合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及纳米结构金属材料技术领域，尤其涉及一种耐蚀纳米孪晶镍基合金及其制备方法和应用。
背景技术
在海洋、航空、航天、核能、石化、电子、冶金等领域中，设备的零部件一般会在腐蚀介质、高温高压、复杂载荷等共存的苛刻环境中服役。苛刻环境导致金属材料受到强烈的腐蚀和磨损：一方面，引起设备材质力学性能显著下降，产生巨大的安全隐患；另一方面，频繁维修干扰正常生产过程，增加实际投入，影响了生产的经济性。伴随绿色过程工程的发展，为了提升资源能源利用率、实现环境友好的目标，高化学活性的碱金属高浓度离子介质被用于复杂两性金属矿产资源的处理。然而，该介质具有≥50％高碱浓度、180℃以上温度、4.5MPa压力以及搅拌矿渣的严苛反应条件，对反应器材质的耐蚀性和力学性能有着极高的要求。目前，现有的奥氏体不锈钢材料，在高浓碱介质中耐腐蚀性差，短时间服役后因为出现大面积点蚀而报废。因此，需要研发一种能够抵御复杂高浓碱介质腐蚀的结构材料以满足安全、稳定服役的工程应用需求。
镍及其合金具有优秀的耐蚀性、良好的力学性能和较好的加工性能等优点，是一类重要的耐蚀结构材料，能够用于不锈钢无法胜任的腐蚀环境。纯镍在碱类溶液中比较稳定，镍基体具有面心立方晶体结构，能够固溶大量合金原子从而实现材料性能的调控。然而，镍基合金的强度较低，屈服强度一般不超过400MPa，抗拉强度不超过600MPa，高压条件下容易发生渗漏等安全问题。细晶强化、位错强化、沉淀强化等传统材料强化手段对镍基合金强化的同时，显著降低了耐蚀性和加工性。当前应用于高浓碱性介质中的镍基耐蚀材料的成分结构设计和服役行为表征均鲜有报道，亟需有针对性的开发和推广一种同时具有高耐蚀性、优秀综合力学性能和良好加工性能的新型镍基合金材料。
孪晶界是一种特殊界面，其两侧原子成镜面对称关系排列，是一种低能共格界面。孪晶界不仅能够有效阻碍位错运动，对金属材料起到强化作用，并且能够通过特定位错反应，促进位错的增殖和滑移，提升金属材料的塑性和加工硬化能力。由于孪晶界的界面能只有普通晶界界面能的十分之一，具有较高的稳定性，有助于提升材料的耐蚀性。相邻的孪晶界之间的晶体构成孪晶片层，而孪晶片层的厚度在纳米级时对材料的强化作用才能显现。因此，形成高密度纳米孪晶结构是获得高强度、高塑性且高耐蚀性金属材料的一种新途径。
CN112239874A公开了一种具有纳米孪晶结构的纯镍或镍合金涂层及其电沉积制备方法。采用直流电沉积制备的纯镍及镍合金涂层均由柱状晶粒组成，柱状晶粒内部含有高密度平行排列的孪晶片层，平均孪晶片层厚度从1.0nm～100nm。该纳米孪晶镍/镍基合金镀层具有高硬度和高热稳定性。
CN111850624A公开了一种具有极小孪晶片层厚度和超高强度的纳米孪晶镍及其制备方法。利用电解沉积技术，制备出厚度为数百微米至毫米的纳米孪晶镍，其微观结构是由长200～3000nm，宽约10～50nm的柱状晶粒组成，在柱状晶内部包含有高密度且取向一致的孪晶片层结构，孪晶片层的厚度从0.5到10nm。具有孪晶结构的晶粒可占整个样品晶粒的100％。该材料的室温显微硬度可达8.5GPa以上，是普通电镀纳米镍的1.5-2倍以上。
CN100588749A公开了一种高耐腐蚀性的纳米孪晶镍镀层及其制备技术。利用脉冲电解沉积技术制备的纳米孪晶镍镀层，其微观结构由近于等轴的亚微米200nm到800nm晶粒组成。在晶粒内部存在高密度不同取向的孪晶片层结构，取向相同的孪晶片层之间相互平行，孪晶片层的厚度主要分布在10nm到30nm范围，其长度为100～400nm。该发明防腐蚀性能优异，在pH为8.4的0.1M H3PO3+0.025M Na2B4O7溶液中，自腐蚀电位为-345mVSCE，自腐蚀电流密度为0.61μA/cm2，阴极塔菲尔斜率为0.2V/decade，维钝电流密度为7.9×10-7A/cm2，击破电位820mVSCE。
综上所述，在镍及其合金中引入高密度纳米级孪晶，能够分别提升材料的硬度和耐蚀性，然而目前尚没有纳米孪晶结构同时强化镍基合金力学性能和耐蚀性能的研究。制备纳米孪晶镍基合金的方法目前主要集中在电解沉积技术上，该技术对电解液、阴阳极、电压、电流密度等较多工艺参数需要精确控制，同时需要增加专用电解设备，对生产过程的改变较大，较难实现大规模工业化生产。由于电解沉积技术受到制备速度的限制只能够制备薄层类或镀层类样品，很难生产块体材料，从而阻碍其产品在工程中的应用。一方面，薄片样品的性能相对于块体材料有所不足，例如，CN102321896A制备具有高密度纳米孪晶片层结构的纳米孪晶镍的薄片，强度提升的同时引起了延伸率的显著下降。另一方面，由于产品形状和尺寸的限制，很难对镀层/薄片类材料的综合力学性能或实际介质环境中的耐蚀性进行科学检测，进一步影响了纳米孪晶镍基合金材料在不同领域的广泛应用。
因此，开发一种在高浓碱介质中具有优良的耐腐蚀性能同时具有优异的综合力学性能的耐蚀高强韧纳米孪晶镍基合金具有重要意义。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种耐蚀纳米孪晶镍基合金及其制备方法和应用通过在镍基合金内部形成高密度纳米孪晶结构，在实现镍基合金强韧化的同时，使其具有优秀的耐蚀性。所述纳米孪晶镍基合金的制备方法简单，加工成本低廉，作为大尺寸块体材料在工业有广泛的应用范围。所述纳米孪晶镍基合金解决了复杂服役环境中对结构材料力学性能、耐蚀性能的苛刻要求，特别适用于高浓碱性介质中耐蚀结构材料。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种耐蚀纳米孪晶镍基合金，所述耐蚀纳米孪晶镍基合金的微观结构包括纳米孪晶晶粒和再结晶晶粒，所述纳米孪晶晶粒占所述耐蚀纳米孪晶镍基合金的体积分数80％以上，所述再结晶晶粒占所述耐蚀纳米孪晶镍基合金的体积分数小于20％。
本发明所述耐蚀纳米孪晶镍基合金中的纳米孪晶晶粒占所述耐蚀纳米孪晶镍基合金的体积分数80％以上，一方面，纳米孪晶能够有效阻碍位错的滑移并且通过特定的位错反应促进位错的增殖，可以显著提高耐蚀纳米孪晶镍基合金的韧性；另一方面，本发明通过控制再结晶晶粒占所述耐蚀纳米孪晶镍基合金的体积分数小于20％，利用其对塑性和耐蚀性的提升效果，又合理限制其对强度的不利影响，进而得到了具有优异耐蚀性和塑性的耐蚀纳米孪晶镍基合金。同时，本发明所述耐蚀纳米孪晶镍基合金可制成较大尺寸的板材，可以直接作为工程结构材料使用，具有良好的工业化应用前景。
本发明所述耐蚀纳米孪晶镍基合金中所述纳米孪晶晶粒占所述耐蚀纳米孪晶镍基合金的体积分数在80％以上，例如可以是80％、83％、85％、88％、90％、95％或100％。
本发明所述耐蚀纳米孪晶镍基合金中所述再结晶晶粒占所述耐蚀纳米孪晶镍基合金的体积分数小于20％，例如可以是20％、17％、15％、12％、10％、8％、5％、2％或0％。
优选的，所述耐蚀纳米孪晶镍基合金包括耐蚀纳米孪晶镍基合金板材。
优选地，所述耐蚀纳米孪晶镍基合金板材的厚度为1～4mm，例如可以是1mm、2mm、3mm或4mm。
优选地，所述纳米孪晶晶粒为柱状晶粒，内部具有纳米孪晶和位错。
优选地，所述柱状晶粒的长度为35～60μm，例如可以是35μm、40μm、45μm、50μm、55μm或60μm。
优选地，所述柱状晶粒的宽度为25～35μm，例如可以是25μm、27μm、29μm、30μm、32μm、34μm或35μm。
优选地，所述纳米孪晶为变形孪晶。
优选地，所述纳米孪晶在同一柱状晶粒内具有相同取向且贯穿整个晶粒。
优选地，所述纳米孪晶的片层厚度为1～10nm，例如可以是1nm、3nm、5nm、7nm、9nm、或10nm。
优选地，所述纳米孪晶之间的距离为50～1500nm，例可以是50nm、100nm、200nm、500nm、800nm、1000nm、1200nm或15nm。
优选地，所述再结晶晶粒为等轴晶粒，内部具有退火孪晶和位错。
优选地，所述等轴晶粒的尺寸为0.8～6.8μm，例如可以是0.8μm、1μm、1.2μm、1.5μm、2μm、4μm、5μm、5.5μm、6μm或5.8μm。
优选地，所述退火孪晶的片层厚度为0.2～3.2μm，例如可以是0.2μm、0.5μm、0.7μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm或3.2μm。
第二方面，本发明还提供一种如第一方面所述的耐蚀纳米孪晶镍基合金的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)镍基合金铸锭依次经均匀化处理和热轧后，得到第一镍基合金；
(2)所述第一镍基合金经冷轧，得到第二镍基合金；
(3)所述第二镍基合金在750～850℃的条件下进行退火热处理，得到耐蚀纳米孪晶镍基合金。
本发明所述耐蚀纳米孪晶镍基合金的制备方法采用合金化结合热机械处理的方式，使得镍基合金铸锭内部形成高密度的纳米孪晶结构。其中，对热轧后的第一镍基合金进行冷轧是高效引入纳米级孪晶的关键步骤；之后控制冷轧后的第二镍基合金在750～850℃的较高温度下进行退火热处理，一方面，尽可能多的保留纳米孪晶，以维持最终得到的耐蚀纳米孪晶镍基合金的高强度和高稳定性；另一方面，尽可能多的降低位错密度，以提升最终得到的耐蚀纳米孪晶镍基合金的塑性、加工性和耐蚀性；再一方面，退火热处理过程中适量的引入一定体积分数的再结晶晶粒，以扩大强度塑性的调控范围和进一步增强耐蚀性。
本发明所述退火热处理的温度为750℃～850℃，例如可以是750℃、770℃、790℃、800℃、820℃、840℃或850℃。
优选地，步骤(1)所述镍基合金铸锭中含有20wt％～30wt％的钴元素，例如可以是20wt％、22wt％、25wt％、28wt％或30wt％。
本发明进一步优选所述镍基合金铸锭中含有20wt％～30wt％的钴元素，钴元素的加入可显著降低层错能，促进纳米孪晶的形成，并起到强韧化和提升抗氧化性的作用。
优选地，所述镍基合金铸锭中含有10wt％～15wt％的铬元素，例如可以是10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％或15wt％。
本发明进一步优选所述镍基合金铸锭中含有10wt％～15wt％的铬元素，铬元素的加入也可以一定程度降低层错能，形成更多纳米孪晶，但是没有钴元素的作用显著。铬元素的加入，同时能起到固溶强化和提升氧化抗性的作用。
优选地，所述镍基合金铸锭中含有1wt％～5wt％的钼元素，例如可以是1wt％、11wt％、1wt％、1wt％、1wt％或5wt％。
本发明进一步优选所述镍基合金铸锭中含有1wt％～5wt％的钼元素，钼元素的加入可进一步增加最终得到的耐蚀纳米孪晶镍基合金的强度、硬度，提升韧性，并提升耐蚀纳米孪晶镍基合金在还原性介质中的腐蚀抗性。
本发明进一步优选所述镍基合金铸锭中同时含有20wt％～30wt％的钴元素、10wt％～15wt％的铬元素和1wt％～5wt％的钼元素，可以降低镍基合金板材的层错能，使镍基合金板材经过热机械处理后，能够形成高密度纳米级变形孪晶结构，在获得优良综合力学性能的同时，能够在碱性环境中具有良好的耐蚀性。
优选地，步骤(1)所述均匀化处理的温度为1100～1500℃，例如可以是1100℃、1200℃、1230℃、1250℃、1270℃、1300℃、1400℃或1500℃。
优选地，所述均匀化处理的时间为1～4h，例如可以是1h、1.5h、2h、3h、3.5h或4h。
优选地，所述均匀化处理在马弗炉中进行。
本发明所述均匀化处理是在高温条件下，通过长时间保温，消除或减小实际晶体组织内的铸造应力、成分偏析和结构不均匀，以改善镍基合金铸锭的工艺性能。
优选地，所述热轧前的合金的厚度为30～50mm，例如可以是30mm、32mm、35mm、40mm、45mm或50mm。
优选地，所述热轧至少为3道次，例如可以是3道次、4道次、5道次、6道次或7道次。
优选地，所述热轧中每道次的下压量为5～10mm，例如可以是5mm、6mm、7mm、8mm、9mm或10mm。
优选地，所述热轧的终轧温度≥950℃，例如可以是950℃、970℃或1000℃。
优选地，所述淬火的介质包括水。
优选地，所述淬火冷却至室温。
本发明所述室温为20～30℃，例如可以是20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃、29℃或30℃。
优选地，所述第二镍基合金板材在冷轧之前先进行表面处理。
优选地，所述表面处理包括依次进行的酸洗和磨抛。
本发明进一步优选所述第二镍基合金板材在冷轧之前先进行表面处理，主要目的是去除第二镍基合金板材表面氧化物和轧制缺陷，以便于后续进行冷轧处理。
优选地，步骤(2)所述冷轧中每道次冷轧下压量不超过该道次冷轧的合金当前厚度的10％，例如可以是10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％或2％。
优选地，所述第二镍基合金的厚度相比第一镍基合金减少60％～80％，例如可以是60％、63％、65％、68％、70％、75％、79％、或80％。
本发明进一步优选所述第二镍基合金的厚度相比第一镍基合金减少60％～80％，当冷轧使得第二镍基合金厚度减少量大于80％时，会出现不均匀变形，并在第二镍基合金内部形成微小裂纹，其综合力学性能和耐腐蚀性会大幅度降低，严重时会造成第二镍基合金断裂。
优选地，步骤(3)所述退火热处理的时间为1～5min，例如可以是1min、1.5min、2min、2.5min、3min、4min、4.8min或5min。
本发明进一步优选所述退火热处理的时间为1～5min，通过短时间、高温度的退火热处理来形成高密度纳米孪晶晶粒和合理体积分数的再结晶晶粒。
优选地，所述退火热处理在马弗炉中进行。
作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
(1)含有20wt％～30wt％的钴元素、10wt％～15wt％的铬元素和1wt％～5wt％的钼元素的镍基合金铸锭在1100～1500℃条件下进行均匀化处理1～4h后，得到厚度为30～50mm的合金，经至少3道次热轧后，得到第一镍基合金；所述热轧中每道次的下压量为5～10mm；所述热轧的终轧温度≥950℃；
(2)所述第一镍基合金经冷轧，得到第二镍基合金；所述冷轧中每道次冷轧下压量不超过该道次冷轧的合金当前厚度的10％；所述第二镍基合金的厚度相比第一镍基合金减少60％～80％；
(3)所述第二镍基合金在750～850℃的条件下进行退火热处理1～5min，得到耐蚀纳米孪晶镍基合金。
第三方面，本发明还提供一种如第一方面所述的耐蚀纳米孪晶镍基合金的应用，所述耐蚀纳米孪晶镍基合金应用于航空、航天、核电、海洋或石油化工领域。
本发明所述耐蚀纳米孪晶镍基合金具有高密度纳米孪晶结构，耐蚀性能优良且力学性能优异，可以大规模工业化生产，在航空、航天、核电、海洋或石油化工领域应用广泛，优选为应用在浓碱、氧化性、高温条件下的化工反应设备中。
优选地，所述耐蚀纳米孪晶镍基合金应用于航空、航天、核电、海洋或石油化工领域中的碱性环境。
本发明所述的数值范围不仅包括上述列举的点值，还包括没有列举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供的耐蚀纳米孪晶镍基合金的耐蚀性优良，在60wt.％的NaOH溶液，反应温度240℃，搅拌速率650r/min，氧分压3.6MPa的强腐蚀介质条件下，年平均腐蚀速率低于0.06mm/y；
(2)本发明提供的耐蚀纳米孪晶镍基合金的综合力学性能优异，其中屈服强度可达900MPa以上，在较优条件下可达1270MPa以上，抗拉强度可达1130MPa以上，在较优条件下可达1280MPa以上，延伸率可达20％以上，在较优条件下可达35％以上；
(3)本发明提供的耐蚀纳米孪晶镍基合金的制备方法所需设备简单，加工成本低廉，生产效率高，工艺流程简单，适合大规模工业化生产；条件参数容易调控，方便对于微观结构进行调控，产品性能窗口较大。
(4)本发明提供的耐蚀纳米孪晶镍基合金的制备方法得到的耐蚀纳米孪晶镍基合金的产品尺寸较大，工程应用领域广泛，尤其适合应用于复杂高浓碱性介质存在的强腐蚀环境中。
附图说明
图1为本发明实施例1中耐蚀纳米孪晶镍基合金微观结构的扫描电子显微镜背散射电子图像。
图2为本发明实施例1中耐蚀纳米孪晶镍基合金中纳米孪晶晶粒微观结构的透射电子显微镜明场图像，其中放大倍数为100000倍。
图3为本发明实施例1中耐蚀纳米孪晶镍基合金中再结晶晶粒微观结构的透射电子显微镜明场图像，其中放大倍数为100000倍。
图4为本发明对比例3中镍基合金微观结构的扫描电子显微镜背散射电子图像。
图5为本发明对比例4中镍基合金微观结构的扫描电子显微镜背散射电子图像。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
实施例1
本实施例提供一种耐蚀纳米孪晶镍基合金的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)含有23wt％的钴元素、10wt％的铬元素和5wt％的钼元素的镍基合金铸锭在1280℃条件下进行均匀化处理4h后，得到厚度为42mm的合金，经4道次热轧后，得到第一镍基合金；所述热轧中每道次的下压量均为9mm；所述热轧的终轧温度为970℃；
(2)所述第一镍基合金经冷轧，得到第二镍基合金；所述冷轧中每道次冷轧下压量不超过该道次冷轧的合金当前厚度的10％；所述第二镍基合金的厚度相比第一镍基合金减少60％；
(3)所述第二镍基合金在750℃的条件下进行退火热处理3.5min，得到耐蚀纳米孪晶镍基合金。
本实施例的制备方法得到的耐蚀纳米孪晶镍基合金的扫描电子显微镜背散射电子图像如图1所示，从图中可以看出本实施例的制备方法得到的耐蚀纳米孪晶镍基合金是由纳米孪晶晶粒和再结晶晶粒组成。
其中，纳米孪晶晶粒占所述耐蚀纳米孪晶镍基合金的体积分数为91％，所述纳米孪晶晶粒为柱状晶粒，所述柱状晶粒的长度为35～45μm、宽度为25～30μm；同一柱状晶粒内的纳米孪晶具有相同取向且贯穿整个晶粒。其中，再结晶晶粒占所述耐蚀纳米孪晶镍基合金的体积分数为9％，所述再结晶晶粒为等轴晶粒，所述再结晶晶粒的尺寸为1.2～6.1μm。
本实施例的制备方法得到的耐蚀纳米孪晶镍基合金的纳米孪晶晶粒的透射电子显微镜明场像如图2所示，从图中可以看出纳米孪晶晶粒内部具有纳米孪晶和位错；所述纳米孪晶为变形孪晶，所述纳米孪晶的片层厚度为1～8nm；所述纳米孪晶之间的距离为150～1250nm。
本实施例的制备方法得到的耐蚀纳米孪晶镍基合金的再结晶晶粒的透射电子显微镜明场像如图3所示，从图中可以看出再结晶晶粒内部具有退火孪晶和位错；所述退火孪晶的片层厚度为0.2～2.3μm。
实施例2
本实施例提供一种耐蚀纳米孪晶镍基合金的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)含有30wt％的钴元素、11.5wt％的铬元素和1wt％的钼元素的镍基合金铸锭在1500℃条件下进行均匀化处理1h后，得到厚度为30mm的合金，经5道次热轧后，得到第一镍基合金；所述热轧中每道次的下压量均为5mm；所述热轧的终轧温度为1050℃；
(2)所述第一镍基合金经冷轧，得到第二镍基合金；所述冷轧中每道次冷轧下压量不超过该道次冷轧的合金当前厚度的10％；所述第二镍基合金的厚度相比第一镍基合金减少75％；
(3)所述第二镍基合金在850℃的条件下进行退火热处理1min，得到耐蚀纳米孪晶镍基合金。
本实施例的制备方法得到的耐蚀纳米孪晶镍基合金中的纳米孪晶晶粒占所述耐蚀纳米孪晶镍基合金的体积分数为97％，所述再结晶晶粒占所述耐蚀纳米孪晶镍基合金的体积分数为3％。其中，所述纳米孪晶晶粒为柱状晶粒，内部具有纳米孪晶和位错；所述柱状晶粒的长度为40～55μm、宽度为27～33μm；所述纳米孪晶为变形孪晶，在同一柱状晶粒内具有相同取向且贯穿整个晶粒。所述纳米孪晶的片层厚度为2～10nm；所述纳米孪晶之间的距离为50～750nm。所述再结晶晶粒为等轴晶粒，内部具有退火孪晶和位错；所述等轴晶粒的尺寸为0.8～3.5μm；所述退火孪晶的片层厚度为0.2～1.5μm；所述位错包括全位错和不全位错。
实施例3
本实施例提供一种耐蚀纳米孪晶镍基合金的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)含有20wt％的钴元素、15wt％的铬元素和3wt％的钼元素的镍基合金铸锭在1100℃条件下进行均匀化处理2.5h后，得到厚度为50mm的合金，经5道次热轧后，得到第一镍基合金；所述热轧中每道次的下压量均为9mm；所述热轧的终轧温度为955℃；
(2)所述第一镍基合金经冷轧，得到第二镍基合金；所述冷轧中每道次冷轧下压量不超过该道次冷轧的合金当前厚度的10％；所述第二镍基合金的厚度相比第一镍基合金减少80％；
(3)所述第二镍基合金在790℃的条件下进行退火热处理5min，得到耐蚀纳米孪晶镍基合金。
本实施例的制备方法得到的耐蚀纳米孪晶镍基合金中的纳米孪晶晶粒占所述耐蚀纳米孪晶镍基合金的体积分数为81％，所述再结晶晶粒占所述耐蚀纳米孪晶镍基合金的体积分数为19％。其中，所述纳米孪晶晶粒为柱状晶粒，内部具有纳米孪晶和位错；所述柱状晶粒的长度为45～60μm、宽度为29～35μm；所述纳米孪晶为变形孪晶，在同一柱状晶粒内具有相同取向且贯穿整个晶粒。所述纳米孪晶的片层厚度为1～9nm；所述纳米孪晶之间的距离为350～1500nm。所述再结晶晶粒为等轴晶粒，内部具有退火孪晶和位错；所述等轴晶粒的尺寸为2.1～6.8μm；所述退火孪晶的片层厚度为0.3～3.2μm；所述位错包括全位错和不全位错。
实施例4
本实施例提供一种耐蚀纳米孪晶镍基合金的制备方法，所述制备方法除了将步骤(2)中所述第二镍基合金的厚度相比第一镍基合金减少60％替换为30％外，其余均与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供一种市售牌号为S31603的不锈钢材料，其主要化学成分为：Cr17.5wt％、Ni12.6wt％、Mo2.4wt％、C<0.03wt％、Si<1.00wt％、Mn<2.00wt％、S<0.03wt％、P<0.05wt％，余量为Fe。
本对比例提供的市售牌号为S31603的不锈钢材料的主要微观结构为微米级等轴晶粒组成的奥氏体组织。
对比例2
本对比例提供市售牌号为N6的纯镍材料，其主要化学成分为镍，其他化学元素含量为C<0.10wt％、Si<0.10wt％、Mn<0.05wt％、S<0.005wt％、P<0.002wt％、Mg<0.01wt％、Fe<0.10wt％、Cu<0.10wt％。
本对比例提供的市售牌号为N6的纯镍材料的主要微观结构为微米级等轴晶粒组成的奥氏体组织。
对比例3
本对比例提供一种镍基合金的制备方法，所述制备方法除了删掉步骤(2)的冷轧外，其余均与实施例1相同。
本对比例的制备方法得到的镍基合金的扫描电子显微镜背散射电子图像如图4所示，从图中可以看出没有进行冷轧步骤，镍基合金内部未能大量形成纳米级变形孪晶，而是形成以微米级等轴晶为主要微观结构的奥氏体组织。
对比例4
本对比例提供一种镍基合金的制备方法，所述制备方法除了删掉步骤(3)的退火热处理外，其余均与实施例1相同。
本对比例的制备方法得到的镍基合金的扫描电子显微镜背散射电子图像如图5所示，从图中可以看出镍基合金的主要微观结构为微米级柱状晶组成的纳米孪晶强化奥氏体组织，纳米孪晶晶粒内部具有高密度位错，未形成再结晶晶粒。
对比例5
本对比例提供一种镍基合金的制备方法，所述制备方法除了将步骤(3)所述退火热处理的温度为750℃替换为700℃外，其余均与实施例1相同。
对比例6
本对比例提供一种镍基合金的制备方法，所述制备方法除了将步骤(3)所述退火热处理的温度为750℃替换为900℃外，其余均与实施例1相同。
通过准静态拉伸实验的方法测定以上实施例和对比例中材料的屈服强度、抗拉强度和延伸率，结果如表1所示。
通过浸渍腐蚀实验的方法测试材料在特定介质中的腐蚀性能，具体测试方法包括如下步骤：
(1)前处理：将测试样品切割为10mm×10mm×2mm的金属块，表面用240#到2500#SiC砂纸依次打磨，再经电解抛光得到表面处理良好的样品，称量并记录样品质量；
(2)浸渍腐蚀：前处理后的样品放入高压反应釜中，腐蚀条件为：60wt.％NaOH，反应温度240℃，氧分压3.6MPa，总压4.5MPa，搅拌速率650r/min。采用三个周期：分别为24h、72h、72h评价材料的耐蚀性能，在第一个周期内，样品表面生成腐蚀产物质量显著变化，评价腐蚀速率时第一周期不计算在内，第二周期决定了腐蚀速率，第三周期决定了活化表面试样的腐蚀速率；因此，第二周期和第三周期共同决定了材料的腐蚀速率；
(3)腐蚀速率计算：步骤(2)中测试的样品在不同腐蚀时间后取出，分别用去离子水、乙醇超声清洗表面残余NaOH，干燥后称量并记录样品质量；依据腐蚀前后样品的质量变化、样品密度、腐蚀时间计算年均腐蚀速率。
以上实施例和对比例中材料在高浓碱性环境中的年均腐蚀速率如表1所示。
表1
屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 延伸率 年均腐蚀速率(mm/y)
实施例1 1270 1281 25％ 0.051
实施例2 1275 1284 21％ 0.056
实施例3 970 1162 38％ 0.042
实施例4 940 1130 20％ 0.059
对比例1 183 485 42％ 6.701
对比例2 32 71 38％ 0.015
对比例3 370 770 75％ 0.097
对比例4 1170 1219 12％ 0.103
对比例5 1265 1273 14％ 0.096
对比例6 730 960 41％ 0.081
从表1可以看出以下几点：
(1)综合实施例1～5可以看出，本发明提供的耐蚀纳米孪晶镍基合金具有优异的综合力学性能，屈服强度可达900MPa以上，在较优条件下可达1270MPa以上，抗拉强度可达1130MPa以上，在较优条件下可达1280MPa以上，延伸率可达20％以上，平均年腐蚀速率低于0.060mm/y；
(2)综合实施例1与实施例4可以看出，实施例1中的耐蚀纳米孪晶镍基合金的制备方法中步骤(2)所述第二镍基合金的厚度相比第一镍基合金减少60％，相较于实施例4的制备方法中步骤(2)所述第二镍基合金的厚度相比第一镍基合金分别减少30％而言，实施例1中的耐蚀纳米孪晶镍基合金的屈服强度为1270MPa，抗拉强度为1281MPa，延伸率为25％，平均年腐蚀速率为0.051mm/y，而实施例4中的耐蚀纳米孪晶镍基合金由于冷轧厚度合金厚度减少量太低，纳米级孪晶产生量较少，在与实施例1相同的退火热处理的条件下，其屈服强度、抗拉强度和延伸率均会有所下降，分别为940MPa、1130MPa和20％，年均腐蚀速率也降低为0.059mm/y；由此表明，本发明进一步限定步骤(2)所述第二镍基合金的厚度相比第一镍基合金的减少量，可以得到具有优异的综合力学性能和耐腐蚀性的耐蚀纳米孪晶镍基合金；
(3)综合实施例1与对比例1～2可以看出，实施例1中的耐蚀纳米孪晶镍基合金相较于对比例1中的市售不锈钢材料、对比例2中的市售纯镍材料而言，实施例1中的耐蚀纳米孪晶镍基合金在具有较高延伸率，具有优良塑性的前提下，还具有较高的屈服强度和抗拉强度；且年均腐蚀速率为0.051mm/y，具有显著的耐蚀性优势；而对比例1的中的市售不锈钢材料的年均腐蚀速率为6.701mm/y，其耐腐蚀性很差，对比例2中的市售纯镍材料的年均腐蚀速率较小，仅为0.015mm/y，但力学性能远小于实施例1；由此表明，本发明通过合金化结合适当的热机械处理，在镍基合金铸锭内部形成了高密度纳米孪晶结构，结合对位错、再结晶晶粒等微观结构的调控，形成了具有高强度、高塑性、耐腐蚀的耐蚀纳米孪晶镍基合金；
(4)综合实施例1与对比例3可以看出，实施例1在步骤(2)中进行冷轧，相较于对比例3中未对第一镍基合金进行冷轧而言，实施例1中的耐蚀纳米孪晶镍基合金内部具有高密度纳米级孪晶，而对比例3中的耐蚀纳米孪晶镍基合金内部未形成纳米孪晶结构，其屈服强度和抗拉强度均较实施例1低，且年均腐蚀速率较实施例1增加了100％，耐蚀性有着显著的降低；由此表明，本发明在热轧之后进行冷轧，形成大量纳米级孪晶，可以得到具有优异的综合力学性能和耐腐蚀性的耐蚀纳米孪晶镍基合金；
(5)综合实施例1与对比例4可以看出，实施例1在步骤(3)中进行退火热处理，相较于对比例4中未对第二镍基合金进行退火热处理而言，实施例1中通过退火热处理调控了第二镍基合金内部的纳米孪晶、位错以及再结晶等微观结构，而对比例4中的没有对第二镍基合金内部的微观结构进行调控，内部具有大量位错等缺陷，尽管对比例4中的耐蚀纳米孪晶镍基合金具有较高屈服强度和抗拉强度，但是延伸率仅为12％，塑性较差，进而影响到耐蚀纳米孪晶镍基合金的加工性能，其年均腐蚀速率显著增加至0.103mm/y，耐蚀性能较差；由此表明，本发明在冷轧之后进行退火热处理，调控了第二镍基合金内部的纳米孪晶、位错以及再结晶等微观结构，可以得到具有优异的综合力学性能和耐腐蚀性的耐蚀纳米孪晶镍基合金；
(6)综合综合实施例1与对比例5～6可以看出，实施例1的步骤(3)所述退火热处理的温度为750℃，相较于对比例5～6的步骤(3)所述退火热处理的温度分别为700℃和900℃而言，对比例5中耐蚀纳米孪晶镍基合金由于处理温度较低，不能进行充分的回复，屈服强度和抗拉强度虽然保持了较高水平，但是延伸率却显著降低至14％，耐蚀性也有降低；对比例6中耐蚀纳米孪晶镍基合金由于处理温度过高，产生了过量的再结晶组织，屈服强度和抗拉强度出现显著下降；由此表明，本发明中第二镍基合金在750～850℃的较高温度下进行短时间退火热处理，尽可能多的保留纳米孪晶并降低位错密度，从而提升了耐蚀纳米孪晶镍基合金的塑性、加工性和耐蚀性；并且在退火热处理过程中适量的引入再结晶晶粒，得到了具有优异的综合力学性能和耐腐蚀性的耐蚀纳米孪晶镍基合金。
综上所述，本发明提供的耐蚀纳米孪晶镍基合金具有优秀的综合力学性能和良好的耐蚀性，相对市售的不锈钢材料和纯镍材料，在强度、塑性和耐蚀性方面均有显著提升。而且本发明提供的耐蚀纳米孪晶镍基合金的制备方法简单易控，加工成本低廉，适合作为复杂高浓碱性工业生产环境中的耐蚀结构材料。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (24)

1.一种耐蚀纳米孪晶镍基合金，其特征在于，所述耐蚀纳米孪晶镍基合金的微观结构包括纳米孪晶晶粒和再结晶晶粒，所述纳米孪晶晶粒占所述耐蚀纳米孪晶镍基合金的体积分数80％以上，所述再结晶晶粒占所述耐蚀纳米孪晶镍基合金的体积分数为2～20％；
所述镍基合金的合金化元素为20wt％～30wt％的钴元素、10wt％～15wt％的铬元素和1wt％～5wt％的钼元素。
2.根据权利要求1所述的耐蚀纳米孪晶镍基合金，其特征在于，所述纳米孪晶晶粒为柱状晶粒，内部具有纳米孪晶和位错。
3.根据权利要求2所述的耐蚀纳米孪晶镍基合金，其特征在于，所述柱状晶粒的长度为35～60μm。
4.根据权利要求2所述的耐蚀纳米孪晶镍基合金，其特征在于，所述柱状晶粒的宽度为25～35μm。
5.根据权利要求2所述的耐蚀纳米孪晶镍基合金，其特征在于，所述纳米孪晶为变形孪晶。
6.根据权利要求2所述的耐蚀纳米孪晶镍基合金，其特征在于，所述纳米孪晶在同一柱状晶粒内具有相同取向且贯穿整个晶粒。
7.根据权利要求2所述的耐蚀纳米孪晶镍基合金，其特征在于，所述纳米孪晶的片层厚度为1～10nm。
8.根据权利要求2所述的耐蚀纳米孪晶镍基合金，其特征在于，所述纳米孪晶之间的距离为50～1500nm。
9.根据权利要求1所述的耐蚀纳米孪晶镍基合金，其特征在于，所述再结晶晶粒为等轴晶粒，内部具有退火孪晶和位错。
10.根据权利要求9所述的耐蚀纳米孪晶镍基合金，其特征在于，所述等轴晶粒的尺寸为0.8～6.8μm。
11.根据权利要求9所述的耐蚀纳米孪晶镍基合金，其特征在于，所述退火孪晶的片层厚度为0.2～3.2μm。
12.一种如权利要求1～11任一项所述的耐蚀纳米孪晶镍基合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)镍基合金铸锭依次经均匀化处理和热轧后，得到第一镍基合金；
(2)所述第一镍基合金经冷轧，得到第二镍基合金；
(3)所述第二镍基合金在750～850℃的条件下进行退火热处理，得到耐蚀纳米孪晶镍基合金。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述均匀化处理的温度为1100～1500℃。
14.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述均匀化处理的时间为1～4h。
15.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述热轧前的合金的厚度为30～50mm。
16.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述热轧至少为3道次。
17.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述热轧中每道次的下压量为5～10mm。
18.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述热轧的终轧温度≥950℃。
19.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述冷轧中每道次冷轧下压量不超过该道次冷轧的合金当前厚度的10％。
20.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述第二镍基合金的厚度相比第一镍基合金减少60％～80％。
21.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述退火热处理的时间为1～5min。
22.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)含有20wt％～30wt％的钴元素、10wt％～15wt％的铬元素和1wt％～5wt％的钼元素的镍基合金铸锭在1100～1500℃条件下进行均匀化处理1～4h后，得到厚度为30～50mm的合金，经至少3道次热轧后，得到第一镍基合金；所述热轧中每道次的下压量为5～10mm；所述热轧的终轧温度≥950℃；
(2)所述第一镍基合金经冷轧，得到第二镍基合金；所述冷轧中每道次冷轧下压量不超过该道次冷轧的合金当前厚度的10％；所述第二镍基合金的厚度相比第一镍基合金减少60％～80％；
(3)所述第二镍基合金在750～850℃的条件下进行退火热处理1～5min，得到耐蚀纳米孪晶镍基合金。
23.一种如权利要求1～11任一项所述的耐蚀纳米孪晶镍基合金的应用，其特征在于，所述耐蚀纳米孪晶镍基合金应用于航空、航天、核电、海洋或石油化工领域。
24.根据权利要求23所述的耐蚀纳米孪晶镍基合金的应用，其特征在于，所述耐蚀纳米孪晶镍基合金应用于航空、航天、核电、海洋或石油化工领域中的碱性环境。
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