一種晶粒尺度梯度金屬鎳及其可控制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及具有優(yōu)異力學(xué)性能的晶粒尺寸梯度金屬鎳及其可控制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]梯度結(jié)構(gòu)是由一種成分、組織或相(或組元)逐漸向另一成分、組織或相(或組元)過(guò)渡的結(jié)構(gòu)材料，比如由粗晶逐漸過(guò)渡到細(xì)晶，甚至非晶組織。區(qū)別于傳統(tǒng)的均勻單質(zhì)材料或均勻單級(jí)復(fù)合材料，梯度材料的特征表現(xiàn)為組織的非均勻性和多尺度性，以及結(jié)構(gòu)的多級(jí)性。由于組織和相轉(zhuǎn)變平緩，使界面變寬甚至消失。不同于傳統(tǒng)的復(fù)合材料，這種結(jié)構(gòu)梯度不僅能有效避免尺寸突變引起的性能突變，還能使具有不同特征尺寸的結(jié)構(gòu)相互協(xié)調(diào)，同時(shí)表現(xiàn)出各特征尺寸所對(duì)應(yīng)的多重作用機(jī)制，使材料的整體性能和使役性能得到極大優(yōu)化和提升，實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)韌性的完美匹配和多功能性。正是這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)為梯度結(jié)構(gòu)金屬材料帶來(lái)了獨(dú)特的性能:例如高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、高耐腐蝕性等等。這些優(yōu)良的性能為梯度結(jié)構(gòu)金屬材料在航空航天、交通運(yùn)輸、能源設(shè)施、機(jī)械制造、電子信息等領(lǐng)域帶來(lái)了廣闊的發(fā)展前景。
[0003]現(xiàn)有梯度結(jié)構(gòu)金屬材料的制備方法主要是通過(guò)機(jī)械變形獲得，這種自上而下的制備方法主要存在三個(gè)方面的局限性:(I)該方法制備梯度材料類(lèi)型有限，僅限于具有良好塑性金屬材料的制備，如Cu，IF鋼，TWIP鋼等；(2)該方法制備的樣品一般為表面梯度，梯度層厚度為幾百個(gè)微米，無(wú)法滿足工業(yè)化應(yīng)用的需求；(3)該方法制備的梯度類(lèi)型有限，而且不能準(zhǔn)確調(diào)控梯度類(lèi)型和分布，量化梯度組織結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，因而不能開(kāi)發(fā)具有最優(yōu)梯度結(jié)構(gòu)和深入開(kāi)展梯度結(jié)構(gòu)金屬材料相關(guān)科學(xué)問(wèn)題的研宄。因此，在梯度結(jié)構(gòu)金屬材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，如何開(kāi)發(fā)梯度結(jié)構(gòu)的有效制備方法，優(yōu)化梯度結(jié)構(gòu)是目前面臨的首要冋題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)目前梯度結(jié)構(gòu)金屬材料有效制備方法的缺乏，本發(fā)明提供了一種成本低、更加易于工業(yè)化生產(chǎn)的梯度金屬鎳及其制備方法，這種梯度結(jié)構(gòu)金屬鎳尺寸幾乎不受限制(彡5mm，如圖1)，梯度分布形式可控，晶粒尺寸由1-1OOnm逐漸增加到1-30 μπι，且各層次結(jié)構(gòu)件無(wú)界面存在(如圖2所示)；該梯度結(jié)構(gòu)金屬鎳力學(xué)性能優(yōu)良，其屈服強(qiáng)度彡750MPa，是傳統(tǒng)粗晶的3-4倍，而且拉伸塑性變形達(dá)到10 %以上，整體樣品致密度彡 99.
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案:
[0006]一種晶粒梯度金屬鎳的制備方法，其特征在于:采用電鍍方法制備，以鎳為消耗陽(yáng)極，根據(jù)不同微觀結(jié)構(gòu)或力學(xué)性能要求，利用計(jì)算機(jī)控制電流密度和添加劑濃度隨時(shí)間的變化，在直流電流作用下沉積形成晶粒尺寸梯度金屬鎳。
[0007]本發(fā)明所述的制備方法，其特征在于:以鈦、銅、鋼或鎳為陰極，以糖精鈉為添加劑。利用計(jì)算機(jī)控制電流密度和添加劑濃度隨時(shí)間的變化，電流密度從5-lOmA/cm2逐漸增加至100-150mA/cm2，添加劑糖精鈉的濃度從0.5g/L逐漸增加到8g/L。
[0008]具體工藝步驟如下:
[0009]I)、基體打磨，表面除油；
[0010]2)、鍍液配置:稱(chēng)取需要量的七水硫酸鎳300g/L，六水氯化鎳45g/L，硼酸40g/L，十二燒基硫酸鈉0.01-0.lg/L，溶于蒸飽水，攪拌溶解；調(diào)節(jié)pH值至4±0.2 ；
[0011]3)、電流密度和溶液成分調(diào)控:根據(jù)所需晶粒尺寸梯度分布形式和樣品厚度的要求，利用計(jì)算機(jī)連續(xù)調(diào)節(jié)電流密度和添加劑濃度隨時(shí)間變化形式，電流密度從5-lOmA/cm2逐漸增加至100-150mA/cm2，添加劑濃度從0.5-1.0g/L逐漸增加到5_8g/L。
[0012]其中，基體打磨的目的是為了消除基體表面細(xì)微不平、氧化皮和各種宏觀缺陷，以提高表面平整度，可采用砂紙打磨的方法，打磨順序依次為600#, 800#, 1000#, 2000#,并進(jìn)一步對(duì)基體進(jìn)行拋光，使其具有鏡面光澤。
[0013]基體表面除油以便于電鍍的實(shí)施，可利用有機(jī)溶劑(如丙酮)將基體表面油污去除。
[0014]本發(fā)明所用所有試劑均為分析純，鍍液采用蒸餾水配置，陽(yáng)極采用純度為99%的鎳片。該方法具有操作簡(jiǎn)單，樣品尺寸幾乎不受限制，樣品質(zhì)量好，微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能可控等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1不同形式晶粒尺寸分布示意圖(以三種不同分布的晶粒尺寸為例)。
[0016]圖2電沉積三種典型不同分布晶粒尺寸梯度金屬鎳的晶粒分布。
[0017]圖3電沉積晶粒尺寸梯度結(jié)構(gòu)金屬鎳的全貌圖(a)以及粗晶側(cè)(b)和納米晶側(cè)的形貌圖(C)。
[0018]圖4不同晶粒尺寸梯度分布金屬鎳(1-V)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線
【具體實(shí)施方式】
[0019]實(shí)施例1
[0020]以鎳為消耗陽(yáng)極，以鈦陰極，按要求配置800ml鍍液，鍍液成分為:
[0021]NiSO4.7H20:300g/L，NiCl2.6H20:45g/L，H3BO3:40g/L，C12H25OSO2Na1.05g/L。用天平稱(chēng)取以上藥品，在燒杯中溶解，使溶液體積不大于燒杯額定體積的四分之三，將配置的鍍液用磁力攪拌器攪拌，用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)PH值至4±0.2，鍍液溫度控制為55±1°C。
[0022]計(jì)算機(jī)控制電流密度和添加劑濃度:
[0023]電流密度:(I)、開(kāi)始47.5h內(nèi)電流密度保持恒定lOmA/cm2，(2)、之后0.75h內(nèi)電流密度由lOmA/cm2逐漸增大至20mA/cm2，(3)、然后在0.75h內(nèi)電流密度逐漸增大至30mA/cm2，(4)、繼續(xù)在0.25h內(nèi)將電流密度逐漸增大至50mA/cm2，(5)、之后0.25h內(nèi)電流密度逐漸增大至120mA/cm2，(6)、最后電流密度保持在120mA/cm2沉積lh。
[0024]在此同時(shí)調(diào)控添加劑濃度:(I)、開(kāi)始糖精鈉濃度保持恒定0.5g/L約10h，(2)、之后的25h內(nèi)由0.5g/L逐漸增加至2g/L, (3)、然后在5h內(nèi)逐漸增大至3g/L，(4)、再在7.5h內(nèi)逐漸增大至6g/L，(5)、最后保持其濃度恒定在6g/L。
[0025]如圖3所示，試樣晶粒尺寸從20nm到5 μ m，最高強(qiáng)度彡850MPa，塑性變形彡10%(如圖4曲線IV)。
[0026]實(shí)施例2
[0027]以鎳為消耗陽(yáng)極，以鈦為陰極，按要求配置800ml鍍液，鍍液成分為:
[0028]NiSO4.7H20:300g/L，NiCl2.6H20:45g/L，H3BO3:40g/L，C12H25OSO2Na1.05g/L。用天平稱(chēng)取以上藥品，在燒杯中溶解，使溶液體積不大于燒杯額定體積的四分之三，將配置的鍍液用磁力攪拌器攪拌，用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)PH值至4±0.2，鍍液溫度控制為55±1°C。
[0029]計(jì)算機(jī)控制電流密度和添加劑濃度:
[0030]控制電流密度主要分六個(gè)階段:⑴、開(kāi)始25h內(nèi)電流密度保持恒定5mA/cm2，⑵、之后3h內(nèi)電流密度由5mA/cm2逐漸增大至20mA/cm2，(3)、然后在2.5h內(nèi)逐漸增大至30mA/cm2，(4)、繼續(xù)在2.5h內(nèi)將電流密度逐漸增大至50mA/cm2，(5)、之后2h內(nèi)電流密度逐漸增大至120mA/cm2，(6)最后電流密度保持在120mA/cm2沉積Ih。
[0031]在此同時(shí)調(diào)控添加劑濃度:⑴、糖精鈉濃度保持恒定0.7g/L約10h，⑵之后的15h內(nèi)逐漸由0.7g/L增加至5g/L，(3)、最后保持其濃度恒定在5g/L。
[0032]電鍍得到試樣晶粒尺寸從20nm到10 μπι，最高強(qiáng)度彡750MPa，塑性變形彡15%(如圖4曲線V)。
[0033]實(shí)施例3
[0034]以鎳為消耗陽(yáng)極，以鋼為陰極，按要求配置800ml鍍液，鍍液成分為:
[0035]NiSO4.7H20:300g/L，NiCl2.6H20:45g/L，H3BO3:40g/L，C12H25OSO2Na1.06g/L。用天平稱(chēng)取以上藥品，在燒杯中溶解，使溶液體積不大于燒杯額定體積的四分之三，將配置的鍍液用磁力攪拌器攪拌，用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)PH值至4±0.2，鍍液溫度