阅读说明：本技术 含层错与γ′相复合结构的镍基合金及其制备方法 (Nickel-based alloy containing stacking fault and gamma' phase composite structure and preparation method thereof ) 是由 张勇 董巍 袁圣云 冯天 尤泽升 于 2019-02-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及纳米结构金属材料技术领域,具体涉及一种含高强度高热稳定性的层错与γ′相复合结构的镍基合金及其制备方法。镍基合金表层的组织结构为层错与γ′相的复合结构,所述层错为高密度层错,高密度层错交割结构设置在γ′相中,形成层错与γ′相复合结构。该方法是先后利用表面机械滚压处理和时效处理对镍基合金进行处理,从而在镍基合金表层制备出高密度层错与γ′相的复合结构。所述复合结构中层错间距分布在5～25nm,γ′相尺寸分布在30～80nm。该结构的微观硬度在6.0-7.0GPa之间,微观硬度是表面处理前镍基合金的1.2-1.8倍,结构粗化温度比纳米晶镍基合金高30-80℃,大大提高了镍基合金具有高强度高热稳定性。(The invention relates to the technical field of nano-structure metal materials, in particular to a nickel-based alloy containing a high-strength high-thermal-stability laminated structure and a gamma' phase composite structure and a preparation method thereof. The texture structure of the surface layer of the nickel-based alloy is a composite structure of a stacking fault and a gamma ' phase, the stacking fault is a high-density stacking fault, and a high-density stacking fault intersection structure is arranged in the gamma ' phase to form the composite structure of the stacking fault and the gamma ' phase. The method is characterized in that the nickel-based alloy is treated by successively utilizing surface mechanical rolling treatment and aging treatment, so that a high-density fault and gamma' phase composite structure is prepared on the surface layer of the nickel-based alloy. The staggered spacing of the layers in the composite structure is 5-25nm, and the size of the gamma' phase is 30-80 nm. The micro-hardness of the structure is between 6.0 and 7.0GPa, the micro-hardness is 1.2 to 1.8 times that of the nickel-based alloy before surface treatment, the coarsening temperature of the structure is 30 to 80 ℃ higher than that of the nanocrystalline nickel-based alloy, and the high strength and high thermal stability of the nickel-based alloy are greatly improved.)

含层错与γ′相复合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，具体涉及一种含高强度高热稳定性的层错与γ′相复合结构的镍基合金及其制备方法。

背景技术

镍基合金具有良好的抗氧化和一定的耐腐蚀性能，广泛应用于航空航天和机械制造等工业领域。镍基合金初始组织中晶粒较大，强度较低。因此为了提高镍基合金的强度，材料科学家经过几个世纪的努力，提出了固溶强化、第二相强化和塑性变形强化等方法。利用固溶强化和第二相强化的方法可以显著提高合金的强度，但是合金元素的加入将改变材料的物理和化学性能。

此外，通过塑性变形，可以在材料中引入缺陷(如晶界、位错)来提高其强度，相比固溶处理和第二相强化，该方法不会改变材料的化学成分，但得到的材料一般塑性和热稳定性较差。文献Sun Y,Xu S,Shan A.Effects of annealing on microstructure andmechanical properties of nano-grained Ni-based alloy produced by severe coldrolling[J].Materials Science&Engineering A,2015,641:181-188.中提到单爱党等人使用冷轧工艺制备出纳米晶镍基合金，纳米晶平均尺寸约为50nm，冷轧样品强度明显提高。但是将冷轧纳米晶镍基合金在700℃和800℃退火1小时后，纳米晶晶粒尺寸平均为90nm和200nm，发生了明显长大，证明纳米晶镍基合金热稳定性较差。

文献Liu X C,Zhang H W,Lu K.Strain-induced ultrahard andultrastablenanolaminated structure in nickel.[J].Science,2013,342(6156):337-340.中提到刘小春等人通过表面机械碾磨处理在纯镍中引入高速剪切变形，制备出一种新型纳米层片结构。层片厚度在5nm至50nm之间，硬度高达6.4GPa，层片结构粗化温度为506℃，比稳态超细晶镍(466℃)高40℃。该方法制备的纳米层片结构在一定程度提高了材料的强度和热稳定性，但是提高的幅度较低。

目前备受关注的梯度结构也可以使金属材料获得良好的强度和稳定性。通过在棒状金属表面进行喷丸处理等，从而得到一种从心部粗晶逐渐过渡到表层纳米晶的梯度结构。这种结构实现了使粗晶纯铜材料屈服强度提高2倍的同时几乎不损失其塑性与稳定性。并且可以通过改变梯度层的体积百分含量来调节金属材料的力学性能，但是随着梯度层百分含量的增加，强度增加但塑性和热稳定性降低。所以，这种方法虽然改善了金属材料的强度，但也难以使金属材料获得高强度的时保持良好的塑性和热稳定性。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种含层错与γ′相复合结构的镍基合金及其制备方法，通过层错与γ′相的复合结构，使得镍基合金具有高强度和高热稳定性。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种含层错与γ′相复合结构的镍基合金，所述镍基合金表层的组织结构为层错与γ′相的复合结构，所述层错为高密度层错，高密度层错交割结构设置在γ′相中，形成层错与γ′相复合结构，使得镍基合金具有高强度高热稳定性。

进一步地，所述层错与γ′相复合结构中层错间距分布在5-25nm之间，γ′相尺寸分布在30-80nm之间，镍基合金表层的层错与γ′相复合结构的厚度为100-200μm。

进一步地，所述镍基合金的成分为按原子百分比(at.％)计量如下：Ni:46.50～48.50％，Co:22.94～25.14％，Cr:14.36～15.46％，Al:5.10～6.20％，Ti:4.05～4.97％，Mo:1.82～2.70％，W:0.24～0.34％，Fe:0.50～0.62％，Zr:0.02～0.05％，C:0.07～0.11％，B:0.06～0.07％。

一种制备上述的镍基合金的方法，具体步骤如下：

(1)对镍基合金进行固溶处理得到高密度γ′相强化γ基体结构的镍基合金；

(2)利用表面机械滚压处理高密度γ′相强化γ基体结构的镍基合金，在其表层得到高密度层错交割结构，所述层错结构破坏了γ′相L1₂有序化结构；

(3)对步骤(2)的镍基合金进行时效处理，γ′相L1₂有序化结构重新恢复，最终得到含有层错与γ′相复合结构的镍基合金。

进一步地，所述表面机械滚压处理采用表面机械滚压处理系统，所述表面机械滚压处理系统包括处理刀具和冷却系统，通过处理刀具对镍基合金表层进行机械滚压处理，采用所述冷却系统降低在机械滚压处理中样品表面的温度。

进一步地，所述处理刀具的刀头部分为硬质合金球，所述硬质合金球为WC-Co合金材质，硬质合金球直径为4-10mm；所述冷却系统为液氮气氛冷却。

进一步地，所述镍基合金的形状为棒状，所述表面机械滚压处理具体为：棒状镍基合金沿自身轴向旋转，处理刀具的硬质合金球与镍基合金表面接触并压入一定的深度，处理刀具进给，并沿着棒状镍基合金表面从工件的一端运动至另一端，完成一个道次处理；重复上述过程若干道次后，在镍基合金表面形成塑性变形层；其中所述硬质合金球压入镍基合金表面的深度的大小，根据所需要加工的镍基合金的层错与γ′相的复合结构表层的厚度确定。

进一步地，所述棒状镍基合金直径为8-15mm，棒状镍基合金轴向旋转的转速为100-800r/min，处理刀具沿棒状镍基合金轴向的进给速度为40-80mm/min，每个处理道次中硬质合金球在镍基合金表面的压下深度为20-80μm，加工道次为1-10。

进一步地，所述步骤(3)中的时效处理采用箱式电炉，具体为：将箱式电炉升温至预设时效温度，然后将表面处理后的镍基合金放入炉中，保温，将样品取出，置于空气中自然冷却。

进一步地，所述时效温度为600-800℃，所述保温的保温时间为25-100h。

本发明与现有技术相比，其显著优点如下：

(1)本发明利用表面机械滚压处理和时效处理结合的方法在镍基合金表面得到一种层错与γ′相复合结构，其中表面机械滚压处理在镍基合金表面得到的高密度层错交割结构，其强化机制可以用Hall-Petch关系解释，由于层错间距仅为几纳米，故显著提高了镍基合金的强度。而经过时效处理重新恢复有序化结构的γ′相，进一步增加了层错运动的阻力，故这种层错与γ′相复合结构显著提高了镍基合金的强度和热稳定性。

(2)通过表面机械滚压处理和时效处理在镍基合金中制备出层错与γ′相复合结构，对于表面机械滚压处理过程，易于控制变形工艺参数，故结合基材的特点并优化表面机械处理过程中各种参数以及刀具参数等，可以控制层错与γ′相复合结构区域的厚度，使得在镍基合金表面制备出较薄的变形层时，仍能保持其高强度和高热稳定性。

(3)本发明中表面机械滚压处理方法，在镍基合金表层制备出具有一定厚度的层错与γ′相复合结构，不同于传统方法制备的均匀结构材料。本发明在不改变材料化学成分的前提下，只是通过改变微观结构来提高镍基合金的强度和热稳定性。并且时效处理可灵活改变时效温度和时间，易与控制γ′相的尺寸，从而保证镍基合金性能达到最优。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为实施例1中镍基合金中层错与γ′相复合结构的高分辨透射电镜图片。

图2为实施例2中镍基合金中层错与γ′相复合结构的高分辨透射电镜图片。

图3为实施例3中镍基合金中层错与γ′相复合结构的高分辨透射电镜图片。

图4为实施例1、2和3中镍基合金微观硬度和现有技术中镍基合金的微观硬度比较。

具体实施方式

一种含层错与γ′相复合结构镍基合金的制备方法，所述层错与γ′相复合结构具有高强度高热稳定性。首先对镍基合金进行固溶处理得到一种高密度γ′相强化γ基体的结构。然后利用表面机械滚压处理高密度γ′相强化的镍基合金，在其表层得到一种高密度层错交割结构，该层错结构破坏了γ′相L1₂有序化结构，再对镍基合金进行时效处理，γ′相L1₂有序化结构重新恢复，最终得到一种层错与γ′相复合的结构，该结构显著提高了镍基合金的强度和热稳定性。

所述层错与γ′相复合结构中层错间距分布在5～25nm，γ′相尺寸分布在30～80nm。

采用表面机械滚压处理对镍基合金进行表面塑性变形时，所述表面机械滚压处理系统包括处理刀具和冷却系统。刀具的刀头部分为硬质合金球，所述硬质合金球为WC-Co合金材质，硬质合金球直径为4-10mm。冷却处理过程采用液氮气氛冷却，以减少处理过程中样品表面的温升。而对于低层错能镍基合金，表面机械滚压处理过程不需要冷却，保持室温即可。

所述表面机械滚压处理过程为：首先利用线切割将镍基合金切割为棒状，棒状镍基合金沿自身轴向旋转，处理刀具的硬质合金球与镍基合金表面接触并压入一定的深度，然后沿着镍基合金回转件表面从工件的一端运动至另一端，完成一个道次处理；重复上述过程若干道次后，在镍基合金表面形成塑性变形层；所述棒状镍基合金直径为8-15mm，镍基合金回转件的转速为100-800r/min，处理刀具沿镍基合金回转件轴向的进给速度为40-80mm/min，每个处理道次中硬质合金球刀头在镍基合金表面的压下深度为20-80μm，加工道次为1-10。

所述时效处理过程为：将箱式电炉升温至预设时效温度，然后将表面处理后的镍基合金放入炉中，保温一定时间，将样品取出，置于空气中自然冷却。

所述时效时间：25-100h，时效温度：600-800℃。

所述具有层错与γ′相复合结构的镍基合金具有如下性质：其微观硬度是表面处理前镍基合金的1.2-1.8倍，结构粗化温度比纳米晶镍基合金高30-80℃。

实施例1

利用表面机械滚压处理和时效处理获得含层错与γ′相复合结构的镍基合金，层错与γ′相复合结构具有高强度高热稳定性。所述镍基合金中化学元素按原子百分比(at.％)计量如下：Ni:46.50～48.50％；Co:22.94～25.14％；Cr:14.36～15.46％；Al：5.10～6.20％；Ti:4.05～4.97％；Mo:1.82～2.70％；W：0.24～0.34％；Fe：0.50～0.62％；Zr:0.02～0.05％；C:0.07～0.11％；B:0.06～0.07％。

所述表面机械滚压处理参数为：棒状镍基合金直径为11mm，转速为600r/min，处理刀头为8mm的WC-Co硬质合金球，其进给速度为40mm/min，每个处理道次中硬质合金球刀头在镍基合金表面的压下深度为20μm，加工道次为3。时效处理参数为：时效温度为700℃，时效时间为50h。

本实施例中所得镍基合金表层层错与γ′相复合结构的厚度为150μm，其中层错间距为10nm，γ′相的尺寸为38nm，本实施例镍基合金的编号为#1，如图1所示为镍基合金中层错-层错-γ′相结构的透射电镜图，该结构的微观硬度为6.98GPa。该结构显著提高了镍基合金的强度和热稳定性。

实施例2

与实施例1不同之处在于：

利用表面机械滚压处理和时效处理获得含层错与γ′相复合结构镍基合金，层错与γ′相复合结构具有高强度高热稳定性。所述镍基合金中化学元素与实施例1相同。表面机械滚压处理参数为：棒状镍基合金直径为11mm，转速为600r/min，处理刀头为8mm的WC-Co硬质合金球，其进给速度为40mm/min，每个处理道次中硬质合金球刀头在镍基合金表面的压下深度为20μm，加工道次为3。时效处理参数为：时效温度为780℃，时效时间为50h。

本实施例中所得镍基合金表层层错与γ′相复合结构的厚度为150μm，其中层错间距为18nm，γ′相的尺寸为65nm，本实施例镍基合金的编号为#2，如图2所示为镍基合金中层错-层错-γ′相结构的透射电镜图，该结构的微观硬度为6.26GPa。该结构显著提高了镍基合金的强度和热稳定性。

实施例3

与实施例1不同之处在于：

利用表面机械滚压处理和时效处理获得含层错与γ′相复合结构镍基合金，层错与γ′相复合结构具有高强度高热稳定性。所述镍基合金中化学元素与实施例1相同。表面机械滚压处理参数为：棒状镍基合金直径为11mm，转速为600r/min，处理刀头为8mm的WC-Co硬质合金球，其进给速度为40mm/min，每个处理道次中硬质合金球刀头在镍基合金表面的压下深度为20μm，加工道次为1。时效处理参数为：时效温度为700℃，时效时间为50h。

本实施例中所得镍基合金表层层错与γ′相复合结构的厚度为100μm，其中层错间距为25nm，γ′相的尺寸为50nm，本实施例镍基合金的编号为#3，如图3所示为镍基合金中层错-层错-γ′相结构的透射电镜图，该结构的微观硬度为6.02GPa。该结构显著提高了镍基合金的强度和热稳定性。

比较例1

文献Shankar M R,Rao B C,Chandrasekar S,et al.Thermally stablenanostructured materials from severe plastic deformation of precipitation-treatable Ni-based alloys[J].ScriptaMaterialia,2008,58(8):675-678.中提到M.Ravi Shankar等人利用SPD(severeplastic deformation)工艺处理制备出纳米晶Inconel 718合金，晶粒尺寸为100nm左右。该材料的微观硬度约为5.4GPa。纳米晶Inconel718合金经过600℃保温6h的时效处理后微观硬度达到6.2GPa，而在700℃下时效，保温36h，微观硬度仅有5.4GPa。该方法制备的纳米晶镍基合金强度很高，但是其热稳定性较差。

比较例2

上海交通大学单爱党等人通过冷轧工艺制备出纳米晶镍基合金，纳米晶平均晶粒尺寸为50nm，显微硬度为4.80GPa，纳米晶镍基合金经过700℃退火1h后，纳米晶平均晶粒尺寸为90nm，微观硬度达到6.10GPa，经过800℃退火1h后，纳米晶平均晶粒尺寸为200nm，微观硬度达到4.85GPa。冷轧工艺制备纳米晶镍基合金虽然具有较高的强度，但是其热稳定性较差。

比较例3

文献中Takizawa Y,Otsuka K,Masuda T,et al.High-Strain RateSuperplasticity of Inconel 718 through Grain Refinement by High-PressureTorsion[J].Materials Science&Engineering A，2015.提到Yoichi Takizawa等人利用在室温高达6GPa的压力下利用高压扭转处理Inconel 718镍基合金，处理后晶粒尺寸减小至纳米级别。该材料的微观硬度约为5.45GPa。高压扭转处理Inconel 718制备的纳米晶镍基合金相比粗晶镍基合金，硬度有所提高，但是不及本发明提高大。

结果表明，本发明提出的通过施加表面塑性加工，再进行中高温时效处理，在镍基合金表面制备出层错与γ′相复合结构，其中层错间距分布在5～25nm，γ′相尺寸分布在30～80nm。本发明制备的镍基合金在600-800℃保温50h，其微观硬度在6.10-7.00GPa之间。本发明制备的镍基合金同时具有超高的强度和热稳定性。