【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及金屬材料的塑性變形制備，具體涉及一種高硬度單晶鈮及其制備方法。
技術介紹
1、金屬鈮(niobium，nb)具有高塑性、超導和磁各向異性等優異特性，被廣泛應用于低溫超導、深海極地、核磁共振等領域。特別是近幾十年超導高頻技術的迅速發展，世界各大加速器裝置已普遍使用純鈮制成的超導高頻腔來加速各種帶電粒子。與傳統多晶鈮相比，單晶鈮不含晶界(界面缺陷通常會增加對電子的散射作用)，其電、磁等功能特性更為優異。然而，作為功能-結構一體化材料，對單晶鈮的應用需求不僅局限于功能特性，還特別強調其硬度等力學性能。由于單晶鈮質地相對柔軟，在外界載荷的作用下容易發生變形，這大大影響了其結構及服役安全。
2、目前，提升金屬硬度的主要策略包括固溶/析出強化、表面強化以及相變強化等方法。可通過添加合金元素(如c、si、mn等)，以固溶強化或沉淀強化的方式來提升材料自身的硬度，然而該方法提升幅度相對有限，且通常會嚴重影響材料的功能特性。表面強化則是在高溫或真空環境下進行氣體滲碳/氮工藝，由于反應條件苛刻，更適合于小規模應用。相變強化通常是對金屬材料進行熱處理(如淬火)來誘發其發生結構相變(如馬氏體轉變)以實現強化，操作相對簡便，但目前無法直接應用于結構穩定的純金屬材料。
3、鑒于此，目前亟需提供一種操作簡單、能夠有效提升單晶鈮硬度的新方法。
技術實現思路
1、針對上述單晶鈮存在的問題，本專利技術旨在提供一種制備工藝簡單且完整無裂紋的高硬度單晶鈮。該單晶鈮組織中馬氏體含量高(
2、本專利技術提供的具體技術方案如下：
3、一種高硬度單晶鈮的制備方法，包括以下步驟：
4、(1)對單晶鈮進行退火處理；
5、(2)對退火后的單晶鈮進行預處理；
6、(3)對預處理后的單晶鈮進行沖擊加載，得到所述高硬度單晶鈮；所述高硬度單晶鈮的金相組織包括呈雙凸透鏡狀的馬氏體，馬氏體沿<110>晶向族均勻分布在單晶鈮中；馬氏體的體積分數為61～73％。
7、優選的，步驟(1)中，所述退火的條件為：600～1200℃下保溫6～8h；進一步優選的，退火溫度為800～1000℃，以消除材料內部位錯等缺陷結構，利于后續馬氏體相變的發生。
8、優選的，步驟(2)中，所述預處理的方法為，對退火后的單晶鈮依次進行打磨、拋光和超聲清洗；所述打磨優選為：相繼用粒度為#180、#500、#800的金相砂紙進行粗磨和細磨；所述拋光優選為：用粒度為w2的金剛石拋光噴霧將樣品拋光至鏡面水平；所述超聲清洗采用的清洗劑優選為酒精，超聲功率優選為200w，超聲時間優選為5min；上述參數以確保去除單晶鈮表面油污，避免試樣發生不均勻變形。
9、優選的，步驟(3)中，所述沖擊的應變速率為1×103～6×103s-1，溫度為室溫。
10、優選的，步驟(3)中，所述沖擊采用的裝置為霍普金森壓桿裝置，該裝置沖擊應力均勻性較好，可測應變率范圍大，以便在要求的沖擊速率下對單晶鈮進行有效的沖擊變形。
11、進一步優選的，所述單晶鈮的端面尺寸小于霍普金森壓桿裝置中入射桿和透射桿的端面尺寸。
12、優選的，所述單晶鈮的晶向為[100]、[110]或[111]；所述單晶鈮的純度不低于99.9％。
13、優選的，所述單晶鈮的表面粗糙度<0.03μm；所述單晶鈮的兩端面的不平度小于0.02。
14、優選的，所述單晶鈮中的c元素含量為25～88ppm，h元素含量＜1ppm，o元素含量為15～230ppm，n元素含量＜5ppm，ag元素含量＜0.9ppm。
15、進一步優選的，沖擊前的單晶鈮為體心立方(bcc)結構；本專利技術對所述單晶鈮的來源沒有特殊要求，采用市售的單晶鈮即可。
16、本專利技術的有益效果在于：
17、(1)本專利技術所涉及的高硬度單晶鈮，是對市售單晶鈮進行沖擊變形工藝來誘發其發生馬氏體相變，通過對退火參數以及沖擊應變速率的精準調控，從而實現材料硬度的顯著提升，最終可得到完整無裂紋的高硬度單晶鈮。
18、(2)利用沖擊變形工藝誘發馬氏體相變，這一工藝流程簡單、效率高、成本低、綠色低碳無污染。
19、(3)該方法適用于任意晶向的單晶原材料鈮，并有望拓展到鈮基單晶及多晶合金，如鈮鈦合金等。
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1.一種高硬度單晶鈮的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述退火處理的條件為：600～1200℃，保溫時間為6～8h。
3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述預處理的步驟為：打磨、超聲清洗和拋光。
4.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，所述沖擊的應變速率為1×103～6×103s-1，溫度為室溫。
5.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，所述沖擊采用的裝置為霍普金森壓桿裝置。
6.根據權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述單晶鈮的端面尺寸小于霍普金森壓桿裝置中入射桿和透射桿的端面尺寸。
7.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述單晶鈮中的C元素含量為25～88ppm，H元素含量＜1ppm，O元素含量為15～230ppm，N元素含量＜5ppm，Ag元素含量＜0.9ppm。
8.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述單晶鈮的晶向為[100]、[110]
9.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述單晶鈮的表面粗糙度<0.03μm；所述單晶鈮的兩端面的不平度小于0.02。
...【技術特征摘要】
1.一種高硬度單晶鈮的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述退火處理的條件為：600～1200℃，保溫時間為6～8h。
3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述預處理的步驟為：打磨、超聲清洗和拋光。
4.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，所述沖擊的應變速率為1×103～6×103s-1，溫度為室溫。
5.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，所述沖擊采用的裝置為霍普金森壓桿裝置。
6.根據權利要求5所述...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李習耀，劉皓嵐，王江偉，宋克興，
申請(專利權)人：河南省科學院材料研究所，
類型：發明
國別省市：
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