一種制備晶內(nèi)含納米尺寸析出相的納米晶金屬材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種納米晶材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]納米晶材料的特征是晶粒尺寸小于lOOnm，導(dǎo)致材料中高體積分?jǐn)?shù)晶界的存在，由于晶界的強(qiáng)化效應(yīng)，使得這類材料具有很高的強(qiáng)度，是一類很有發(fā)展前途的高性能結(jié)構(gòu)材料。然而這類材料的低韌性，特別是低的拉伸韌性，是限制這類材料獲得廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要原因。這類材料低韌性的根源在于，塑性變形過程中晶粒內(nèi)不能累積位錯(cuò)，使得這類材料缺乏加工硬化能力，容易發(fā)生應(yīng)變的局部化，導(dǎo)致低應(yīng)變量情況下頸縮和斷裂的發(fā)生。在材料科學(xué)家設(shè)計(jì)的各種提尚納米晶材料韋刃性的途徑中，最有意義的是在納米晶粒內(nèi)引入彌散的納米尺寸析出相(precipitates)或第二相顆粒(second-phase particles)，這些析出相或顆粒不僅能釘扎位錯(cuò)，提尚材料的加工硬化能力，從而提尚初性；而且它們對位錯(cuò)運(yùn)動的阻礙作用(即彌散強(qiáng)化)進(jìn)一步提高了納米晶材料的強(qiáng)度，導(dǎo)致強(qiáng)度和韌性的同時(shí)提高。因此，這種納米晶粒內(nèi)含納米尺寸析出相或納米尺寸第二相顆粒的納米晶材料不僅能提高納米晶材料的韌性，而且能進(jìn)一步提高納米晶材料的強(qiáng)度，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。然而，在制備這種納米晶粒內(nèi)含納米尺寸析出相或納米尺寸第二相顆粒的納米晶材料過程中，既要保證基體晶粒尺寸的納米化，又要保證晶粒內(nèi)析出相或第二相顆粒的納米化，其工藝具有很高的難度，所以至今還沒有一種可靠的方法用以這種材料的制備。
[0003]可能用來制備這種納米晶粒內(nèi)含納米尺寸析出相或納米尺寸第二相顆粒的納米晶材料的途徑包括:一)非晶合金晶化同時(shí)形成納米晶粒和分布在納米晶粒晶內(nèi)和晶界的納米尺寸析出相；二)室溫或低于室溫的溫度下對含納米尺寸析出相的粗晶合金(納米尺寸析出相通過粗晶合金固溶處理加上后續(xù)時(shí)效獲得)或含納米尺寸第二相顆粒的粗晶金屬/合金(通過熔融金屬/合金中加入納米尺寸第二相顆粒后凝固獲得或粗晶金屬/合金粉末中加入納米尺寸第二相顆粒并固結(jié)成塊體材料獲得)進(jìn)行劇烈塑性變形高壓扭轉(zhuǎn)，將基體粗晶分解成納米晶粒并將已有的納米尺寸析出相或納米尺寸第二相顆粒包含在納米晶粒中。在第一類途徑中，非晶晶化形成的析出相(金屬間化合物)分布相當(dāng)不均勻，從而降低了所制備納米晶材料的力學(xué)性能(強(qiáng)度和塑性)，而且非晶合金必須具有能夠形成非晶的特定的化學(xué)成分，大大限制了所制備納米晶材料的成分范圍。在第二類途徑中，彌散的析出相或第二相顆粒的存在使得高壓扭轉(zhuǎn)中極易發(fā)生沿析出相或第二相顆粒與基體界面之間的開裂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種成分適用范圍廣、沒有裂紋產(chǎn)生、納米尺寸析出相均勻分布的制備納米晶粒內(nèi)含有納米尺寸析出相的納米晶金屬材料的方法。
[0005]本發(fā)明主要是對用高壓扭轉(zhuǎn)(一種劇烈塑性變形技術(shù))制備的、由合金元素過飽和溶解的納米晶粒組成的單相固溶體納米晶材料，在超高壓環(huán)境中、一定的溫度下進(jìn)行時(shí)效，超高壓能夠有效降低晶界迀移的速率從而抑制晶粒長大，結(jié)果時(shí)效完成后納米晶粒仍然能夠保留，同時(shí)時(shí)效過程中的溫度使得納米尺寸析出相在納米晶粒的晶內(nèi)和晶界上生成，從而制備出納米晶粒內(nèi)含納米尺寸析出相的納米晶金屬材料。
[0006]本發(fā)明的制備方法包括以下步驟:
[0007](I)材料成分的選擇:本發(fā)明所涉及的金屬材料的成分特點(diǎn)是含有在基體中的固溶度隨溫度降低而減小的一至多種合金元素；
[0008]所述的金屬材料基體包括但不限于以下元素:鋁、鐵、銅、鎂、鎳、鈦等。
[0009](2)固溶處理:對具有步驟(I)所述成分的晶粒平均尺寸大于10微米的粗晶金屬材料，在350-1200°C溫度下，保溫2-5小時(shí)，進(jìn)行固溶處理，使合金元素全部溶解到基體中，然后冷卻到室溫，從而形成合金元素過飽和溶解的單相固溶體粗晶材料。
[0010](3)高壓扭轉(zhuǎn)變形:在室溫下，將步驟(2)處理的粗晶金屬材料或放入上、下兩個(gè)壓砧中的凹槽形成的空間內(nèi)，或放入下壓砧中的凹槽內(nèi)、上壓砧的凸臺插入下壓砧的凹槽內(nèi)的高壓扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，在室溫或低于室溫、3-9GPa的壓力下高壓扭轉(zhuǎn)10-20圈，形成由合金元素過飽和溶解的納米晶粒組成的單相固溶體納米晶材料。
[0011](4)超高壓環(huán)境中時(shí)效:將步驟(3)高壓扭轉(zhuǎn)變形的單相固溶體納米晶材料置于多面頂壓機(jī)中進(jìn)行時(shí)效處理，3-25GPa的壓力下，時(shí)效溫度100-800°C，保溫5_8小時(shí)，時(shí)效溫度由金屬材料基體和合金元素的類型決定，獲得納米晶粒內(nèi)含納米尺寸析出相的納米晶金屬材料。
[0012]所述多面頂壓機(jī)指兩面頂、六面頂、八面頂和具有八個(gè)以上頂錘的可產(chǎn)生超高壓的壓機(jī)。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0014]1、能夠適用的材料的成分范圍很寬。
[0015]2、對合金元素過飽和溶解的單相固溶體進(jìn)行劇烈塑性變形高壓扭轉(zhuǎn)處理，固溶體的良好塑性避免了微裂紋的產(chǎn)生。
[0016]3、納米晶粒內(nèi)納米尺寸析出相間距波動范圍較小，顯示出納米尺寸析出相分布的均勻性。
[0017]說明書附圖
[0018]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中由納米晶粒組成的單相固溶體納米晶7075A1合金的透射電鏡圖。
[0019]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中由納米晶粒組成的單相固溶體納米晶7075A1合金的晶粒尺寸分布圖。
[0020]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中單相固溶體納米晶7075A1合金時(shí)效后獲得的納米晶粒內(nèi)含有納米尺寸析出相的納米晶7075A1合金的透射電鏡圖。
[0021]圖4是本發(fā)明實(shí)施例1制備的晶粒內(nèi)含有納米尺寸析出相的納米晶7075A1合金的晶粒尺寸分布圖。
[0022]圖5是本發(fā)明實(shí)施例1制備的納米晶7075A1合金的納米晶粒內(nèi)析出相尺寸分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]實(shí)施例1
[0024]將均勻化退火和預(yù)塑性變形擠壓處理的熔鑄7075A1合金(化學(xué)成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)被0A為:5.6Zn、2.5Mg、l.6Cu、0.5Fe、0.4S1、0.3Mn、0.23Cr、0.2Ti，其余 Al。)加熱到 480°C并保溫5小時(shí)進(jìn)行固溶處理，然后水淬到室溫。從光學(xué)顯微組織上測得固溶處理的7075A1合金的平均晶粒尺寸約為380 μ m ;對固溶處理的7075A1合金進(jìn)行透射電鏡分析，結(jié)果表明剩余第二相顆粒幾乎觀察不到，幾乎所有合金元素全部溶解于Al基體，形成單相的固溶體粗晶7075A1合金，由于在室溫下上述合金元素Zn、Mg、Cu、Fe、S1、Mn、Cr、Ti的濃度均高于其在室溫的溶解度，所以合金元素在Al基體中過飽和溶解。
[0025]在室溫下，將上述合金元素過飽和溶解的單相固溶體粗晶7075A1合金放到上、下壓砧的凹槽形成的空間內(nèi)，在3GPa的壓力下高壓扭轉(zhuǎn)10圈，如圖1所示，透射電鏡觀察可以看出，由納米晶粒組成的單相固溶體納米晶7075A1合金已經(jīng)形成，平均晶粒尺寸約為71nm(如圖2所示)。
[0026]將上述納米晶粒組成的單相固溶體納米晶7075A1合金放入國產(chǎn)CS-1B型六面頂壓機(jī)六個(gè)頂錘所形成的高壓空間內(nèi)的葉臘石(傳壓介質(zhì))腔體中，在六個(gè)頂錘提供的5GPa的超高壓環(huán)境中進(jìn)行時(shí)效，時(shí)效溫度200°C、保溫5小時(shí)。如圖3所示，用透射電鏡分析時(shí)效后的納米晶7075A1合金，結(jié)果表明平均晶粒尺寸約為80nm(如圖4所示)；如圖5所示，晶粒內(nèi)能觀察到分布均勻的納米尺寸析出相，包括GP區(qū)、Tl相和ιΓ相，納米尺寸析出相的尺寸分布在2nm至16nm的范圍內(nèi)，平均尺寸約8nm ;沒有觀察到高壓扭轉(zhuǎn)變形所引起的微裂紋。
[0027]實(shí)施例2
[0028]將均勻化退火和預(yù)塑性變形擠壓處理的熔鑄7075A1合金(化學(xué)成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)0Z0為:5.6Zn、2.5Mg、l.6Cu、0.5Fe、0.4S1、0.3Mn、0.23Cr、0.2Ti，其余 Al。)加熱到 480°C并保溫5小時(shí)進(jìn)行固溶處理，然后水淬到室溫。
[0029]在液氮溫度(_196°C)下，將上述高溫固溶處理后的粗晶7075A1放到上、下壓砧的凹槽形成的空間內(nèi)，在6GPa的壓力下高壓扭轉(zhuǎn)10圈，透射電鏡觀察可以看出，由納米晶粒組成的單相固溶體納米晶7075A1合金已經(jīng)形成，平均晶粒尺寸為38nm。
[0030]將上述納米晶粒組成的單相固溶體納米晶7075A1合金放入Rockland ResearchCorporat1n生產(chǎn)的兩階段大腔體多面頂壓機(jī)的八面體高壓空間內(nèi)的葉臘石(傳壓介質(zhì))腔體中，在25GPa的超高壓環(huán)境中進(jìn)行時(shí)效，時(shí)效溫度300°C、保溫5小時(shí)。用透射電鏡分析時(shí)效后的納米晶7075A1合金，結(jié)果表明晶粒的平均尺寸約為42nm ;晶粒內(nèi)能觀察到分布均勾的納米尺寸析出相包括GP區(qū)、η '相和η相，納米尺寸析出相的尺寸分布在2nm至1nm的范圍內(nèi)，平均尺寸約為5nm ;沒有觀察到高壓扭轉(zhuǎn)變形所引起的微裂紋。
[0031]實(shí)施例3
[0032]將均勻化退火和預(yù)塑性變形擠壓的熔鑄2024A1合金(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)％成分:4.5Cu，
1.5Mg，0.5Mn，其余Al)加熱到493°C并保溫5小時(shí)進(jìn)行固溶處理，然后水淬到室溫。從光學(xué)顯微組織上測得固溶處理的2024A1合金的平均晶粒尺寸約為390 μπι;對固溶處理的2024Α1合金進(jìn)行透射電鏡分析，結(jié)果表明剩余第二相顆粒幾乎觀察不到，幾乎所有合金元素全部溶解于Al基體，形成單相的固溶體粗晶2024Α1合金，由于在室溫下上述合金元素Cu、Mg、Mn的濃度均高于其在室溫的溶解度，所以合金元素在Al基體中過飽和溶解
[0033]在室溫下，將上述合金元素過飽和溶解的單相固溶體粗晶2024A1合金放到下壓砧帶有凹槽、上壓砧帶有凸臺的高壓扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)中(上壓砧的凸臺插入放完被變形的材料后依然有剩余空間的下壓砧的凹槽中)，在6GPa的壓力下高壓扭轉(zhuǎn)20圈，透射電鏡觀察指出，由納米晶粒組成的單相固溶體納米晶2024A1合金已經(jīng)形成，平均晶粒尺寸為67nm。
[0034]將上述納米晶粒組成的單相固溶體納米晶2024A1合金放入國產(chǎn)CS-1B型六面頂壓機(jī)六個(gè)頂錘所形成的高壓空間內(nèi)的葉臘石(傳壓介質(zhì))腔體中，在六個(gè)頂錘提供的5.5GPa的超高壓環(huán)境中進(jìn)行時(shí)效，時(shí)效溫度230°C、保溫6小時(shí)。用透射電鏡分析時(shí)效后的納米晶2024A1合金，結(jié)果表明晶粒的平均尺寸為75nm ;晶粒內(nèi)能觀察到分布均勾的納米尺寸析出相S'，納米尺寸析出相的尺寸分布在5nm至13nm的范圍內(nèi)，平均尺寸約9nm ;沒有觀察到高壓扭轉(zhuǎn)變形所引起的微裂紋。
[0035]實(shí)施例4
[0036]將熔鑄的lCrl3馬氏體不銹鋼(化學(xué)成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)％:0.14C，13Cr，0.6Ni，Mn0.8，S1.9，S彡0.03