一種多相納米層狀合金材料及其制備方法與流程

本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及一種多相納米層狀合金材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

近年來，核能作為一種高能量密度的新型綠色能源引起了世界各國的廣泛關(guān)注。然而為了保障核電站的安全，設(shè)計制備新一代更安全的核反應(yīng)堆用金屬結(jié)構(gòu)材料就成為一項重要的研究課題。材料的設(shè)計要針對材料的服役環(huán)境而進(jìn)行，核反應(yīng)堆中的強(qiáng)輻照環(huán)境決定了用于核反應(yīng)堆的金屬結(jié)構(gòu)材料必須具有優(yōu)秀的抗輻照損傷性能、高強(qiáng)韌性、高熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性等。

目前，設(shè)計抗輻照金屬結(jié)構(gòu)材料的主要思路是在材料中引入大量的界面結(jié)構(gòu)，從而加速輻照缺陷向材料內(nèi)部界面偏聚、促進(jìn)輻照缺陷互相湮滅，降低輻照損傷。同時，因為界面有阻礙位錯運動的作用，根據(jù)Hall-Petch關(guān)系，材料中大量的界面結(jié)構(gòu)能有效地提高材料的強(qiáng)度，改善材料的綜合力學(xué)性能。近年來，Han等人提出了通過界面工程設(shè)計抗輻照材料，他們充分利用通過連續(xù)疊軋技術(shù)制得的納米層狀銅-鈮復(fù)合材料中存在的大量的銅-鈮相界面來吸收輻照造成的大量點缺陷，同時這種納米層狀復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能和高溫?zé)岱€(wěn)定性[Weizhong Han,et al.Advanced Materials,2013,25,6975-6979]。此外，F(xiàn)ang等人報導(dǎo)了通過交叉連續(xù)疊軋技術(shù)制得的納米層狀銅-鉭復(fù)合材料不僅具有高強(qiáng)度，較好的塑性，還具有很好的熱穩(wěn)定性，這樣優(yōu)異的性能正是由于納米層狀銅-鉭復(fù)合材料中存在大量的相界面[Qianfeng Fang,et al.Acta Materialia,2016,110,341-351]。然而，在應(yīng)用連續(xù)疊軋技術(shù)制備納米層狀復(fù)合材料的過程中，以下問題經(jīng)常出現(xiàn)：一方面，局部變形引入的剪切帶會造成大變形后界面過早變得彼此不平行以及邊緣裂紋，從而限制了層狀材料的層厚極限并嚴(yán)重影響了層狀材料的綜合性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[Marko Knezevic,et al.International Journal of Plasticity,2014,57,16-28]。另一方面，由于連續(xù)疊軋技術(shù)的缺點，如不同金屬層與層之間依賴嚴(yán)重塑性變形來達(dá)到結(jié)合，所以層間結(jié)合強(qiáng)度很低[Weizhong Han,et al.Acta Materialia,2014,63,150-161]，從而極大降低了納米層狀材料的力學(xué)性能和抗輻照損傷性能。

針對剪切帶和邊緣裂紋的問題，目前，學(xué)者們改良了連續(xù)疊軋技術(shù)。比如：Carpenter等人通過在鋯-鈮系統(tǒng)的連續(xù)疊軋過程中引入575℃保溫一小時的中間退火處理，成功地將連續(xù)疊軋的鋯-鈮層狀復(fù)合材料的單層厚度從28μm降低至90nm[J.S.Carpenter,et al.Materials Research Letters,2014,1]。此外，F(xiàn)ang等人通過結(jié)合中間退火的交叉連續(xù)疊軋技術(shù)，成功地抑制了加工過程中出現(xiàn)的塑性不穩(wěn)定性和邊緣裂紋，制得了層厚為50nm的納米層狀銅-鉭復(fù)合材料[Qianfeng Fang,et al.Acta Materialia,2016,110,341-351]。然而，針對連續(xù)疊軋技術(shù)普遍存在的第二類問題，即層間結(jié)合強(qiáng)度很低，容易成為材料失效源頭的問題，至今仍未有很好的辦法解決。此外，雖然上述兩種方案有效地解決了剪切帶和邊緣裂紋的問題，但這兩種納米層狀材料的制備工藝均使這種材料的制備流程變得繁瑣。比如Carpenter等人引入的中間退火步驟需要在不同軋制道次之間多次引入退火過程，延長了材料制備過程；Fang等人引入的交叉連續(xù)疊軋技術(shù)需要在不同軋制道次之間對材料進(jìn)行轉(zhuǎn)向，增加了制備工藝的復(fù)雜程度，這些都不利于降低這種材料的生產(chǎn)成本，從而影響工業(yè)化生產(chǎn)。另外，基于連續(xù)疊軋技術(shù)制得的納米層狀復(fù)合材料中，不僅存在大量的近乎平行的相界面，在各片層內(nèi)部還存在大量的晶界。在高溫條件下，高能晶界有可能會向低能相界轉(zhuǎn)變，在晶界與相界的交界處形成凹槽，從而影響這種納米層狀復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性[Qianfeng Fang,et al.Acta Materialia,2016,110,341-351]。

總之，針對適用于核反應(yīng)堆中強(qiáng)輻照環(huán)境的材料及其加工制備方案問題，仍然需要研發(fā)一種簡單快捷并能保證其良好服役性能的解決方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供了一種多相納米層狀合金材料及其制備方法，該材料具有良好的強(qiáng)度及塑性，并且抗輻照性能較好，結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，界面結(jié)合緊密，并且制備方法簡單。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的多相納米層狀合金材料包括合金，所述合金內(nèi)含有多相組織，所述多相組織為納米層狀組織。

合金為鋯鈮合金、銅銀合金、鋼、鈦合金、鎂合金或鋁合金。

多相組織中的相包括密排六方相、體心立方相、面心立方相及非晶體相。

納米層狀組織中單相的厚度為1nm-10000nm。

本發(fā)明所述的多相納米層狀合金材料的制備方法包括以下步驟：

取合金，并對合金進(jìn)行預(yù)變形，再對所述合金進(jìn)行加熱及保溫，然后對合金進(jìn)行冷卻，使合金中形成多相組織，再對合金進(jìn)行軋制、拉拔及退火，使合金中的多相組織變?yōu)榧{米層狀組織，得多相納米層狀合金材料。

對所述合金進(jìn)行加熱的加熱溫度大于等于合金對應(yīng)相圖中多相區(qū)或單相區(qū)的最低轉(zhuǎn)變溫度。

采用空冷、油冷或水冷的方式對合金進(jìn)行冷卻。

本發(fā)明所述的多相納米層狀合金材料的制備方法包括以下步驟：

取含有共析或共晶成分的合金，并對所述合金進(jìn)行預(yù)變形，再對合金進(jìn)行加熱并保溫，然后對合金進(jìn)行冷卻，使合金中形成片層狀的多相組織，然后對該合金進(jìn)行軋制、拉拔及退火處理，使合金中的多相組織變成納米層狀組織，得多相納米層狀合金材料。

采用爐冷、空冷、油冷或水冷的方式對合金進(jìn)行冷卻。

對合金進(jìn)行加熱的加熱溫度大于等于合金的共析或共晶轉(zhuǎn)變溫度。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明所述的多相納米層狀合金材料包括合金，所述合金內(nèi)含有多相組織，該多相組織為納米層狀組織，通過大量的相界面達(dá)到吸收輻照缺陷的效果，提高了材料的抗輻照性能，同時大量的相界面使得該種材料具有高的強(qiáng)度及塑性、以及良好的綜合力學(xué)性能，另外在制備過程中，先對合金進(jìn)行預(yù)變形，通過對合金進(jìn)行加熱、保溫及冷卻，從而獲得具有多相組織的合金，然后對該合金進(jìn)行軋制、拉拔及退火，得多相納米層狀合金材料，制備過程簡單、可行，能夠適用于工業(yè)化生產(chǎn)，并且在制作過程中對合金進(jìn)行軋制、拉拔及退火，因此本發(fā)明所述的多相納米層狀合金材料的界面結(jié)合緊密，結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，同時單一的低能相界面使得本發(fā)明所述的材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在實際操作中，可根據(jù)不同的要求調(diào)節(jié)加熱及保溫的溫度、時間以控制多相組織的比例及成分，實現(xiàn)對多相納米層狀合金材料性能的調(diào)控。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種的流程圖；

圖2為本發(fā)明的又一種的流程圖；

圖3為本發(fā)明的又一種的流程圖；

圖4為本發(fā)明的又一種的流程圖；

圖5為本發(fā)明的又一種的流程圖；

圖6為實施例一中本發(fā)明的掃描電鏡照片；

圖7為實施例一中本發(fā)明的拉伸性能測試結(jié)果圖；

圖8為實施例二中本發(fā)明的掃描電鏡照片；

圖9為實施例三中本發(fā)明的掃描電鏡照片。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

本發(fā)明所述的多相納米層狀合金材料包括合金，所述合金內(nèi)含有多相組織，所述多相組織為納米層狀組織。

合金為鋯鈮合金、銅銀合金、鋼、鈦合金、鎂合金或鋁合金；多相組織中的相包括密排六方相、體心立方相及面心立方相及非晶體相；納米層狀組織中單相的厚度為1nm-10000nm。

本發(fā)明所述的多相納米層狀合金材料的制備方法包括以下步驟：

取合金，并對合金進(jìn)行預(yù)變形，再對所述合金進(jìn)行加熱及保溫，然后對合金進(jìn)行冷卻，使合金中形成多相組織，再對合金進(jìn)行軋制、拉拔及退火，使合金中的多相組織變?yōu)榧{米層狀組織，得多相納米層狀合金材料。

對所述合金進(jìn)行加熱的加熱溫度大于等于合金對應(yīng)相圖中多相區(qū)或單相區(qū)的最低轉(zhuǎn)變溫度。

采用空冷、油冷或水冷的方式對合金進(jìn)行冷卻。

本發(fā)明所述的多相納米層狀合金材料的制備方法包括以下步驟：

取含有共析或共晶成分的合金，并對所述合金進(jìn)行預(yù)變形，再對合金進(jìn)行加熱并保溫，然后對合金進(jìn)行冷卻，使合金中形成片層狀的多相組織，然后對該合金進(jìn)行軋制、拉拔及退火處理，使合金中的多相組織變成納米層狀組織，得多相納米層狀合金材料。

采用爐冷、空冷、油冷或水冷的方式對合金進(jìn)行冷卻。

對合金進(jìn)行加熱的加熱溫度大于等于合金的共析或共晶轉(zhuǎn)變溫度。

實施例一

取鋯鈮合金，先對其進(jìn)行預(yù)變形，再將鋯鈮合金置于850-950℃的環(huán)境中保溫10-25min，隨后取出該鋯鈮合金，并對其進(jìn)行空冷。

參考圖6，經(jīng)過850-950℃保溫10-25min并空冷的鋯鈮合金其組織為多相組織，并且該多相組織呈現(xiàn)層狀排列，單相厚度約為50-400nm。

對本發(fā)明進(jìn)行拉伸實驗，得到的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示，圖7表明，本發(fā)明具有較高的強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度約為602MPa，斷裂延伸率約為36％，說明本發(fā)明具有較高的強(qiáng)度、以及良好的綜合力學(xué)性能。

實施例二

取鋯鈮合金，先對其進(jìn)行預(yù)變形，再將鋯鈮合金置于950℃以上的環(huán)境中保溫10-25min，隨后取出該鋯鈮合金，并對其進(jìn)行空冷。

參考圖8，經(jīng)過950℃以上溫度保溫10-25min并空冷的鋯鈮合金其組織為多相組織，并且該多相組織呈現(xiàn)層狀排列，單相厚度約為50-500nm。

實施例三

取共晶成分的銅銀合金，將銅銀合金置于1200℃的氬氣保護(hù)環(huán)境中保溫1h，隨后對該銅銀合金進(jìn)行爐冷，得到多相組織，然后對含有多相組織的銅銀合金進(jìn)行變形量約為90％的軋制變形，其組織形貌圖參考圖9。

另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以在本發(fā)明精神內(nèi)做其他變化，這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。