一种多相纳米层状合金材料及其制备方法与流程

本发明属于金属材料领域，涉及一种多相纳米层状合金材料及其制备方法。

背景技术：

近年来，核能作为一种高能量密度的新型绿色能源引起了世界各国的广泛关注。然而为了保障核电站的安全，设计制备新一代更安全的核反应堆用金属结构材料就成为一项重要的研究课题。材料的设计要针对材料的服役环境而进行，核反应堆中的强辐照环境决定了用于核反应堆的金属结构材料必须具有优秀的抗辐照损伤性能、高强韧性、高热稳定性和耐腐蚀性等。

目前，设计抗辐照金属结构材料的主要思路是在材料中引入大量的界面结构，从而加速辐照缺陷向材料内部界面偏聚、促进辐照缺陷互相湮灭，降低辐照损伤。同时，因为界面有阻碍位错运动的作用，根据Hall-Petch关系，材料中大量的界面结构能有效地提高材料的强度，改善材料的综合力学性能。近年来，Han等人提出了通过界面工程设计抗辐照材料，他们充分利用通过连续叠轧技术制得的纳米层状铜-铌复合材料中存在的大量的铜-铌相界面来吸收辐照造成的大量点缺陷，同时这种纳米层状复合材料具有良好的力学性能和高温热稳定性[Weizhong Han,et al.Advanced Materials,2013,25,6975-6979]。此外，Fang等人报导了通过交叉连续叠轧技术制得的纳米层状铜-钽复合材料不仅具有高强度，较好的塑性，还具有很好的热稳定性，这样优异的性能正是由于纳米层状铜-钽复合材料中存在大量的相界面[Qianfeng Fang,et al.Acta Materialia,2016,110,341-351]。然而，在应用连续叠轧技术制备纳米层状复合材料的过程中，以下问题经常出现：一方面，局部变形引入的剪切带会造成大变形后界面过早变得彼此不平行以及边缘裂纹，从而限制了层状材料的层厚极限并严重影响了层状材料的综合性能和结构稳定性[Marko Knezevic,et al.International Journal of Plasticity,2014,57,16-28]。另一方面，由于连续叠轧技术的缺点，如不同金属层与层之间依赖严重塑性变形来达到结合，所以层间结合强度很低[Weizhong Han,et al.Acta Materialia,2014,63,150-161]，从而极大降低了纳米层状材料的力学性能和抗辐照损伤性能。

针对剪切带和边缘裂纹的问题，目前，学者们改良了连续叠轧技术。比如：Carpenter等人通过在锆-铌系统的连续叠轧过程中引入575℃保温一小时的中间退火处理，成功地将连续叠轧的锆-铌层状复合材料的单层厚度从28μm降低至90nm[J.S.Carpenter,et al.Materials Research Letters,2014,1]。此外，Fang等人通过结合中间退火的交叉连续叠轧技术，成功地抑制了加工过程中出现的塑性不稳定性和边缘裂纹，制得了层厚为50nm的纳米层状铜-钽复合材料[Qianfeng Fang,et al.Acta Materialia,2016,110,341-351]。然而，针对连续叠轧技术普遍存在的第二类问题，即层间结合强度很低，容易成为材料失效源头的问题，至今仍未有很好的办法解决。此外，虽然上述两种方案有效地解决了剪切带和边缘裂纹的问题，但这两种纳米层状材料的制备工艺均使这种材料的制备流程变得繁琐。比如Carpenter等人引入的中间退火步骤需要在不同轧制道次之间多次引入退火过程，延长了材料制备过程；Fang等人引入的交叉连续叠轧技术需要在不同轧制道次之间对材料进行转向，增加了制备工艺的复杂程度，这些都不利于降低这种材料的生产成本，从而影响工业化生产。另外，基于连续叠轧技术制得的纳米层状复合材料中，不仅存在大量的近乎平行的相界面，在各片层内部还存在大量的晶界。在高温条件下，高能晶界有可能会向低能相界转变，在晶界与相界的交界处形成凹槽，从而影响这种纳米层状复合材料的热稳定性[Qianfeng Fang,et al.Acta Materialia,2016,110,341-351]。

总之，针对适用于核反应堆中强辐照环境的材料及其加工制备方案问题，仍然需要研发一种简单快捷并能保证其良好服役性能的解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种多相纳米层状合金材料及其制备方法，该材料具有良好的强度及塑性，并且抗辐照性能较好，结构简单稳定，界面结合紧密，并且制备方法简单。

为达到上述目的，本发明所述的多相纳米层状合金材料包括合金，所述合金内含有多相组织，所述多相组织为纳米层状组织。

合金为锆铌合金、铜银合金、钢、钛合金、镁合金或铝合金。

多相组织中的相包括密排六方相、体心立方相、面心立方相及非晶体相。

纳米层状组织中单相的厚度为1nm-10000nm。

本发明所述的多相纳米层状合金材料的制备方法包括以下步骤：

取合金，并对合金进行预变形，再对所述合金进行加热及保温，然后对合金进行冷却，使合金中形成多相组织，再对合金进行轧制、拉拔及退火，使合金中的多相组织变为纳米层状组织，得多相纳米层状合金材料。

对所述合金进行加热的加热温度大于等于合金对应相图中多相区或单相区的最低转变温度。

采用空冷、油冷或水冷的方式对合金进行冷却。

本发明所述的多相纳米层状合金材料的制备方法包括以下步骤：

取含有共析或共晶成分的合金，并对所述合金进行预变形，再对合金进行加热并保温，然后对合金进行冷却，使合金中形成片层状的多相组织，然后对该合金进行轧制、拉拔及退火处理，使合金中的多相组织变成纳米层状组织，得多相纳米层状合金材料。

采用炉冷、空冷、油冷或水冷的方式对合金进行冷却。

对合金进行加热的加热温度大于等于合金的共析或共晶转变温度。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的多相纳米层状合金材料包括合金，所述合金内含有多相组织，该多相组织为纳米层状组织，通过大量的相界面达到吸收辐照缺陷的效果，提高了材料的抗辐照性能，同时大量的相界面使得该种材料具有高的强度及塑性、以及良好的综合力学性能，另外在制备过程中，先对合金进行预变形，通过对合金进行加热、保温及冷却，从而获得具有多相组织的合金，然后对该合金进行轧制、拉拔及退火，得多相纳米层状合金材料，制备过程简单、可行，能够适用于工业化生产，并且在制作过程中对合金进行轧制、拉拔及退火，因此本发明所述的多相纳米层状合金材料的界面结合紧密，结构简单稳定，同时单一的低能相界面使得本发明所述的材料结构稳定。在实际操作中，可根据不同的要求调节加热及保温的温度、时间以控制多相组织的比例及成分，实现对多相纳米层状合金材料性能的调控。

附图说明

图1为本发明的一种的流程图；

图2为本发明的又一种的流程图；

图3为本发明的又一种的流程图；

图4为本发明的又一种的流程图；

图5为本发明的又一种的流程图；

图6为实施例一中本发明的扫描电镜照片；

图7为实施例一中本发明的拉伸性能测试结果图；

图8为实施例二中本发明的扫描电镜照片；

图9为实施例三中本发明的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的多相纳米层状合金材料包括合金，所述合金内含有多相组织，所述多相组织为纳米层状组织。

合金为锆铌合金、铜银合金、钢、钛合金、镁合金或铝合金；多相组织中的相包括密排六方相、体心立方相及面心立方相及非晶体相；纳米层状组织中单相的厚度为1nm-10000nm。

本发明所述的多相纳米层状合金材料的制备方法包括以下步骤：

取合金，并对合金进行预变形，再对所述合金进行加热及保温，然后对合金进行冷却，使合金中形成多相组织，再对合金进行轧制、拉拔及退火，使合金中的多相组织变为纳米层状组织，得多相纳米层状合金材料。

对所述合金进行加热的加热温度大于等于合金对应相图中多相区或单相区的最低转变温度。

采用空冷、油冷或水冷的方式对合金进行冷却。

本发明所述的多相纳米层状合金材料的制备方法包括以下步骤：

取含有共析或共晶成分的合金，并对所述合金进行预变形，再对合金进行加热并保温，然后对合金进行冷却，使合金中形成片层状的多相组织，然后对该合金进行轧制、拉拔及退火处理，使合金中的多相组织变成纳米层状组织，得多相纳米层状合金材料。

采用炉冷、空冷、油冷或水冷的方式对合金进行冷却。

对合金进行加热的加热温度大于等于合金的共析或共晶转变温度。

实施例一

取锆铌合金，先对其进行预变形，再将锆铌合金置于850-950℃的环境中保温10-25min，随后取出该锆铌合金，并对其进行空冷。

参考图6，经过850-950℃保温10-25min并空冷的锆铌合金其组织为多相组织，并且该多相组织呈现层状排列，单相厚度约为50-400nm。

对本发明进行拉伸实验，得到的工程应力-应变曲线如图7所示，图7表明，本发明具有较高的强度，其抗拉强度约为602MPa，断裂延伸率约为36％，说明本发明具有较高的强度、以及良好的综合力学性能。

实施例二

取锆铌合金，先对其进行预变形，再将锆铌合金置于950℃以上的环境中保温10-25min，随后取出该锆铌合金，并对其进行空冷。

参考图8，经过950℃以上温度保温10-25min并空冷的锆铌合金其组织为多相组织，并且该多相组织呈现层状排列，单相厚度约为50-500nm。

实施例三

取共晶成分的铜银合金，将铜银合金置于1200℃的氩气保护环境中保温1h，随后对该铜银合金进行炉冷，得到多相组织，然后对含有多相组织的铜银合金进行变形量约为90％的轧制变形，其组织形貌图参考图9。

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。