超高屈服强度块体纳米晶中熵VCoNi合金及其制备方法技术

本发明专利技术涉及纳米晶制造与粉末冶金领域，公开了超高屈服强度块体纳米晶中熵VCoNi合金及其制备方法，微观结构为单相FCC结构，纯度高、组织均匀、平均晶粒尺寸小于50nm、屈服强度高达3.4GPa的块体纳米晶合金；VCoNi合金中化学元素按以下配比：V:Co:Ni＝1:1:1；且熔炼母材的各纯元素纯度≥99.95％。本发明专利技术可以制备传统块体纳米晶的制备工艺很难制备出高纯度平均晶粒尺寸小于50nm的块体材料，本制备方案整套制备流程均在超高真空腔体中完成，并不存在样品被氧化的情况，能够极大的避免杂质元素对样品性能的影响，对于纳米晶理论与工程应用的发展具有重大作用。发展具有重大作用。发展具有重大作用。

【技术实现步骤摘要】
超高屈服强度块体纳米晶中熵VCoNi合金及其制备方法


[0001]本专利技术涉及纳米晶制造与粉末冶金领域，具体为超高屈服强度块体纳米晶中熵VCoNi合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]金属材料凭借优异的可加工性、较高的重复利用性以及优异的力学性能已经成为不可或缺的工程结构材料。然而，随着人类社会的进一步发展，对金属材料性能的要求也愈发提高。设计并制备出性能更加优异的金属材料始终是材料界所追求的目标。组织纳米化被认为是大幅提高金属材料性能的有效手段。然而，目前的主流制备手段(多道次叠轧、高压扭转、等径角挤压、冷拔以及高能球磨与粉末烧结相结合等手段)均无法普适制备纯度高且平均晶粒尺寸小于50nm的金属纳米晶块体材料。
[0003]近年来，中高熵合金由于其诸多优异的物理化学性能成为当前研究的热点，是一类具有广阔市场应用前景的新型金属结构材料。VCoNi中熵合金由于其具备较大的晶格畸变效应与Hall
‑
Petch系数，因此具备优异的力学性能：平均晶粒尺寸为1μm时屈服强度高达近1GPa。如何通过合理科学的组织调控有效提高其力学性能，是推动这类材料未来发展应用的关键。
[0004]经检索公布日为2022年12月16日，公布号为CN 115478201 A的中国专利文件公开了一种双重有序相的CoNiV基中熵合金及其制备方法。该专利主要通过调控Al元素和Ti元素的含量，基于电弧熔炼和热处理工艺成功制备出了具备双重有序相的CoNiV基中熵合金。通过该方法制备的中熵合金具备良好的屈服强度，可达1.2GPa。但受限于传统电弧熔炼制备工艺，该合金材料的晶粒尺寸仍然处在微米级，无法发挥VCoNi中熵合金Hall
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Petch系数较大的优势，如能通过某种特定制备手段进一步细化晶粒尺寸至纳米级别，该材料屈服强度有望显著提升，进而拓展其应用前景。
[0005]还检索到公布日为2021年4月16日，公布号为CN 112663333 A的中国专利文件公开了一种超细金属粉末沉积的方法。该方法在惰性气体保护的氛围下，通过激光加热激发金属靶材成为制备出尺寸均匀可控，形状规则纳米颗粒。该专利主要提出了一种纯金属纳米粉末的制备工艺，尚未探究块体纳米金属的制备工艺。
[0006]还检索到公布日为2022年11月11日，公布号为CN 115323241 A的中国专利文件公开了一种纳米难熔高熵合金TiZrHfNb的制备方法。该方法成功通过惰性气体冷凝的方法制备出组织均匀、热稳定性能优异的单相BCC结构的纳米晶材料。该专利在公布号为CN 112663333 A的中国专利工艺的基础上添加了一步高压工艺，进而成功制备出了块体纳米金属材料。但是该专利共开的合金体系中的四种元素中Ti和Zr的熔点接近，Hf和Nb的熔点接近，并且不存在明显的晶格畸变效应，因此较容易制备出组织均匀的块体纳米晶材料。对于VCoNi合金体系，由于V元素熔点远远高于Co元素和Ni元素，并且存在较大晶格畸变效应，因此相关制备工艺仍需要进一步探索。
[0007]还检索到公告日为2022年5月31日、公告号为CN 112251644 B的中国专利文件公
开了一种制备高热稳定性等轴纳米晶Ti6Al4V
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Ag合金的制备方法。该专利主要通过ECAP的方法细化晶粒，但该方法存在一显著弊端：无法制备晶粒尺寸小于50nm的块体材料，进而无法研究其各类物化性能，严重滞缓其强韧化理论以及工业应用的发展。
[0008]综上所述，目前虽然通过某些手段能够制备金属块体纳米晶材料，但对于高纯度具有较大晶格畸变的FCC结构VCoNi中熵合金的制备，目前尚没有成熟可用的制备手段。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于提供超高屈服强度块体纳米晶中熵VCoNi合金及其制备方法，解决了
技术介绍
中所提出目前虽然通过某些手段能够制备金属块体纳米晶材料，但对于高纯度具有较大晶格畸变的FCC结构VCoNi中熵合金的制备，目前尚没有成熟可用的制备手段的问题。
[0010]针对上述现有技术存在的不足，为改善制备材料晶粒尺寸偏大且纯度不高的问题，进而实现高纯度超高屈服强度面心立方中熵纳米晶VCoNi合金块体材料的制备。本专利技术专利提供了一种电弧熔炼、冷轧、热处理、惰性气体冷凝和超高压压缩相结合的手段，实现了晶粒尺寸纳米级块体材料纳米晶中熵VCoNi合金的制备。该手段能够成功制备高纯度、组织均匀、平均晶粒尺寸小于50nm、屈服强度高达3.4GPa的块体中熵VCoNi纳米晶合金。该合金的成功制备为该材料的应用和纳米晶材料相关理论的发展奠定了良好的基础。
[0011]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：超高屈服强度块体纳米晶中熵VCoNi合金及其制备方法，该纳米晶中熵VCoNi合金是一种超高屈服强度合金，微观结构以纳米晶为主，高纯度、组织均匀、平均晶粒尺寸小于50nm、屈服强度高达3.4GPa的块体中熵VCoNi纳米晶合金；
[0012]VCoNi合金中化学元素按以下配比：V:Co:Ni＝1:1:1；且熔炼母材各纯元素的纯度≥99.95％；
[0013]具体步骤如下：
[0014]第一、先在电弧熔炼炉中制备高纯等原子比粗晶VCoNi块体材料，随后通过冷轧与热处理相结合的方法使得制备的块体材料组织均匀化以获得靶材，最后通过激光惰性气体冷凝法和原位超高压制备块体纳米晶材料；
[0015]第二、熔炼前电弧熔炼炉用高纯氩气反复清洗三次，每次洗完都保持真空度达到1.5
×
10
‑3Pa；组织均匀化过程中的轧制量为50％
‑
80％，退火参数为1000
‑
1200℃，3
‑
6h；
[0016]第三、实验前惰性气体冷凝腔体保持高真空状态(低于10
‑6Pa)，通入高纯氦气后保持腔内气压稳定在400
‑
600Pa之间，控制激光发射镜头与靶材之间的距离在70
‑
80cm之间，发射功率50
‑
100W之间，选用808
‑
1064nm的皮秒激光，确保单脉冲能量超过100μJ，脉冲频率为500kHz，脉冲宽度小于15ps；在500
‑
800MPa的压力下将粉末预压成型，最后在室温环境下运用5
‑
6GPa的压力将试样压成直径10mm，厚0.2
‑
0.3mm的块体试样。
[0017]所述VCoNi合金在制备手段中用到的原材料均为纯度超过99.95％的高纯块体材料，各原料的质量精度控制在5
×
10
‑4g以内。
[0018]本专利技术还公开一种制备超高屈服强度块体纳米晶中熵VCoNi合金的方法，其特征在于，具体步骤如下：
[0019]S1：按等原子配比计算各元素所需的质量，将原材料表明打磨以去除表面可能存
在的氧化层，随后在高精度天平中进行称量称重，之后在电弧熔炼炉中制备本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.超高屈服强度块体纳米晶中熵VCoNi合金，其特征在于：该纳米晶中熵VCoNi合金是一种超高屈服强度合金，微观结构为单相FCC结构，高纯度、组织均匀、平均晶粒尺寸小于50nm、屈服强度高达3.4GPa的块体纳米晶合金；VCoNi合金中化学元素按以下配比：V:Co:Ni＝1:1:1；且熔炼母材的各纯元素的纯度≥99.95％；具体步骤如下：(1)先在电弧熔炼炉中制备高纯等原子比粗晶VCoNi块体材料，随后通过冷轧与热处理相结合的方法使得制备的块体材料组织均匀化以获得靶材，最后通过激光惰性气体冷凝法和原位超高压制备块体纳米晶材料；(2)熔炼前电弧熔炼炉用高纯氩气反复清洗三次，每次洗完都保持真空度达到1.5
×
10
‑3；组织均匀化过程中的轧制量为50％
‑
80％，退火参数为1000
‑
1200℃，3
‑
6h；(3)实验前惰性气体冷凝腔体保持高真空状态(低于10
‑6Pa)，通入高纯氦气后保持腔内气压稳定在400
‑
600Pa之间，控制激光发射镜头与靶材之间的距离在70
‑
80cm之间，发射功率50
‑
100W之间，选用808
‑
1064nm的皮秒激光，确保单脉冲能量超过100μJ，脉冲频率为500kHz，脉冲宽度小于15ps；(4)在500
‑
800MPa的压力下将粉末预压成型，最后在室温环境下运用5
‑
6GPa的压力将试样压成直径10mm，厚0.2
‑
0.3mm的块体试样。2.根据权利要求1所述的超高屈服强度块体纳米晶中熵VCoNi合金，其特征在于：所述VCoNi合金在制备手段中用到的原材料均为纯度超过99.95％的高纯块体材料，各原料的质量精度控制在5
×
10
‑4g以内。3.一种制备如权利要求1
‑
2任一所述的超高屈服强度块体纳米晶中熵VCoNi合金的方法，其特征在于，具体步骤如下：S1：按等原子配比计算各元素所需的质量，将原材料表明打磨以去除表面可能存在的氧化层，随后在高精度天平中进行称量称重，之后在电弧熔炼炉中制备等原子块体试样(考虑到V元素的熔点明显高于其余两种元素，三种原材料在放入熔炼腔体时要将V元素放在其余两种原材料之上，确保制备试样的元素分布均匀...

【专利技术属性】
技术研发人员：单贵斌，兰司，冯涛，吴尚书，邹吕禹，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：