[发明专利]一种新型梯度结构镍磷合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种新型梯度结构镍磷合金及其制备方法，属于金属材料技术领域。该方法包括以下步骤：采用电化学沉积方式，以镍为消耗性阳极，通过控制电流密度及电镀液中添加剂的浓度随时间的变化，在直流电流的作用下沉积形成梯度结构镍磷合金。添加剂包括亚磷酸、次亚磷酸钠和糖精钠。该方法可以在镍磷合金中制备出不同分布形式的柱状粗晶‑超细晶‑纳米晶‑非晶过渡的晶粒尺寸梯度和磷含量逐渐上升的化学成分梯度以及从晶体转变为非晶体的相梯度，有利于在更大范围内调控整体材料的综合性能，避免单一纳米晶或非晶结构镍磷合金塑/韧性较差的缺点。制备得到的新型梯度结构镍磷合金可进一步拓宽其应用范围，为面向未来的工程应用提供技术储备。

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，具体而言，涉及一种新型梯度结构镍磷合金及其制备方法。

背景技术

梯度结构金属材料表现出的一系列特性为新材料设计及发展新加工工艺创造了机遇。目前，梯度结构金属材料可以通过塑性变形、热处理及电沉积等方法获得。其中，电沉积法可针对梯度结构的分布形式进行精确控制，并且试样的尺寸理论上不受限制。专利文献CN104862748A公布了一种晶粒尺寸梯度结构金属镍及其可控制备方法。此方法通过连续调控电流密度和添加剂糖精钠浓度，实现了晶粒尺寸梯度结构金属镍的可控制备。但是，该方法针对的是纯金属镍，其工业应用范围相对较窄。此外，对于如化学成分梯度与相梯度等梯度结构类型的制备与控制，该方法也尚未涉及。

相较于纯金属镍，镍基合金具有更广泛的工业应用背景。例如，均质纳米结构或非晶结构镍磷(Ni-P)合金因其具备优异的耐蚀性能，高硬度以及高耐磨性等，广泛应用于机械化工设备的耐蚀构件及其他仪器精密结构件等方面。然而，在高速、重载等严苛工况下，均质纳米结构或非晶结构Ni-P合金因其脆性极易发生开裂继而造成整个结构件的迅速失效。这种塑/韧性的缺失严重限制了Ni-P合金的应用范围，而构筑梯度结构是提升高强度金属材料塑/韧性的一种有效途径。因而，可以设想，如果在镍磷合金中制备出由微米级粗晶逐渐过渡到纳米晶甚至非晶的梯度结构，且梯度分布形式精确可控，即可在更大的尺度空间调控整体材料的性能，从而改善其较差的塑/韧性，进一步拓展Ni-P合金的应用范围。然而，受限于制备工艺，目前尚未在Ni-P合金中实现晶粒尺寸、化学成分以及相的连续变化。虽然也有相关研究报道镍磷梯度合金，但是其梯度结构的整个变化区间较窄，磷含量的变化范围一般小于5wt.％，其微观结构基本仍处于纳米量级，或为完全非晶结构，导致整体材料的塑/韧性依然较差。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种新型梯度结构镍磷(Ni-P)合金的制备方法，该方法可以在Ni-P合金中制备出不同分布形式的柱状粗晶-超细晶-纳米晶-非晶过渡的晶粒尺寸梯度和磷含量整体逐渐上升的成分梯度以及从晶体转变为非晶体的相梯度，有利于在更大范围内调控整体材料的综合性能，避免单一纳米晶或非晶结构Ni-P合金塑/韧性较差的缺点。

本发明的目的之二在于提供一种由上述制备方法制备得到的新型梯度结构镍磷合金，该合金同时具有晶粒尺寸梯度、化学成分梯度及相梯度的三重复合梯度结构，具备有效改善整体结构塑/韧性的潜能，可进一步拓宽Ni-P合金的应用范围，并为面向未来的工程应用提供技术储备。

本发明是这样实现的：

第一方面，本申请提供一种新型梯度结构镍磷合金的制备方法，包括以下步骤：采用电化学沉积方式，以镍为消耗性阳极，通过控制电流密度随时间的变化以及电镀液中添加剂的浓度随时间的变化，在直流电流的作用下沉积形成梯度结构镍磷合金。

其中，电流密度随时间的变化主要是：随沉积时间的增加，电流密度由20-40mA/cm²逐步增加至60-100mA/cm²。

添加剂包括糖精或其钠盐、亚磷酸和次亚磷酸钠。

在可选的实施方式中，添加剂包括糖精钠、亚磷酸和次亚磷酸钠。