[发明专利]一种高强度钠米级晶体镍材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米晶体金属材料及其制备方法，具体涉及一种高强度纳米级晶体镍材料及其制备方法。

背景技术

纯镍及其合金在国民经济中具有广泛的应用。镍产品用于生产优质不锈钢、高温高强度合金、精密合金、其它含镍合金，加工纯镍、电真空用镍等镍制品，还用于电镀和石油化工等生产领域。镍和铬、铜、铝、钴等元素可组成耐热合金、电工合金和耐蚀合金等。镍铬合金有高的耐热性和大的电阻，用它做的热电体(电阻丝)，可用作电炉、电烙铁、电熨斗等的电热元件。镍基耐热合金主要作涡轮发动机涡轮盘、燃烧室和涡轮叶片等。著名的“蒙乃尔”合金是含铜、铁和锰的耐蚀镍合金，强度高，塑性好，耐腐蚀，成为电器、海轮和医疗器械制造业的重要材料。镍铁、镍钴合金是良好的磁性材料。此外，镍及其合金还具有导热性好，在大气，海水和许多介质中抗腐蚀性好，在冷、热状态下，压力加工等机械性能良好，有很好的塑性和耐磨性等特点；同时还具有特殊物理性能：磁性、磁伸、缩性、高的电真空性能等特点，因而在工业上得到广泛应用。

在现代科学领域中，机械设备，工具器械和仪器仪表装置都在向高速度、高效率、高灵敏度、低能耗、微型化方向发展，因而无论是从精度、可靠性还是高综合性能方面都对镍材料提出了更高的综合要求。例如，在迅速发展的电气工业，建筑业，化学工业，雷达、电视、原子能工业，远距离控制等现代新技术领域等等高技术产品中，对新型高性能镍材料的需求也越来越高，往往在要求镍材料具有非常高的强度和耐磨性。

纳米晶体材料是指由极细晶粒组成，特征维度尺寸在1～100纳米范围内的一类单相或多相固体材料。由于其极细小的晶粒和大量的界面密度及大量处于晶界和晶粒内的缺陷原子，纳米材料在物理化学性能上表现出与普通微米级多晶体材料巨大的差异，具有奇特的力学，电学，磁学，光学，热学及化学等诸多方面的性能。

众所周知，对一种材料来讲，它的极限强度就是其理论剪切强度，即在没有任何缺陷的单晶体材料中获得的强度值，但是，对一种实际的材料来讲，往往它的强度要比理论预测的剪切强度低好几个量级，这是由于在实际的材料中在材料表面或材料内部或多或少都存在一定数量的缺陷(如位错)所致。如果在制备工艺中尽可能的减少(控制)缺陷数量，例如在超细纤维状的单位晶体(也叫做晶须)中获得的屈服强度就远高于普通多晶体的屈服强度，接近于理论剪切强度。

在工程应用上，为了强化材料过程采用细化晶粒法，这是一种利用大量存在的晶界在限制或钉轧位错运动来提高材料的强度，可由著名的Hall-Petch关系(σ＝σ₀+kd^-1/2)来描述。通常，人们通过测量韦氏硬度估计材料的压缩流变应力(σ_y＝HV/3)，Hall-Petch关系表明材料的韦氏硬度与晶粒尺寸平方根成反比，即HV＝HV₀+kHd^-0.5。晶粒细化到纳米尺度，单位体积中总的晶界面积达到10^6-8m²时，人们已经从各种金属及合金中观察到高强度，至少在晶粒尺寸降至25nm前，大多数金属材料的屈服强度和硬度值随晶粒尺寸的减小表现出增加的趋势，很好地遵从Hall-Petch关系。事实上，大量的实验及计算机模拟工作已经表明，这种强化效果并不是随着晶粒尺寸的减少而无限制单调递增的，当晶粒尺寸减少到一定程度，这种强化效应将不存在了。这实际是由于当晶粒尺寸足够小的时候，即已经接近点阵中位错间的平衡距离，也就是说晶粒内部仅可容纳少量(甚至没有)位错。这时候晶界运动的能力会大幅度提高(如晶界转动，滑动等)，晶界运动会使导致材料的强度降低。对于纳米晶体镍材料来讲，Hall-Petch关系预测的硬度值为8500 MPa，当晶粒尺寸小于临界尺寸5.8nm时将出现软化效应。因此，通过减小晶粒尺寸来限制阻碍位错运动，使镍材料的强度进一步提高尚有很大的空间。