CN101804554A - 一种涂层超导Ni-W合金基带线材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涂层超导Ni-W合金基带线材的制备方法,将Ni块和W块放入真空感应熔炼炉中充入Ar气熔炼,获得元素分布均匀的Ni5W合金铸锭;然后将铸锭热轧到10mm厚,冷轧到60-100μm厚,将基带分条加工,得到Ni5W合金基带线材所需的Ni5W合金基带,采用搭接工艺将基带加工成合金基带管状线材,将管材退火,即可得到具有锐利双轴立方织构的Ni5W合金基带管状线材。本发明方法制备的Ni5W合金基带管状线材具有锐利的立方织构和良好的表面质量,可以直接外延生长过渡层和超导层,满足YBCO涂层导电缆的应用要求,而且采用真空感应熔炼,连续管线成型工艺和激光焊接工艺制备方法,可以实现工业化生产。

Description

一种涂层超导Ni-W合金基带线材的制备方法
技术领域
本发明属于高温涂层超导材料基带线材制备技术领域,具体涉及一种(Ni-5at.%W)Ni-W合金基带线材的制备方法。
背景技术
钇钡铜氧(即YBa2Cu307-x通常简写为YBCO)涂层高温超导材料是一种脆性陶瓷,并且传输电流时存在“弱连接”现象,所以将其涂覆在带有隔离层的双轴织构韧性金属基带上,是实现其规模化应用及生产的一种行之有效的思路。由于金属Ni基带很容易形成双轴立方织构,在涂层导体研究初期多采用金属纯Ni作为YBCO带材的基带材料,但是纯Ni具有铁磁性,屈服强度低,不能完全满足YBCO涂层超导基带应用的要求。中国专利CN1740357(公开日:2006.3.1)公开了在Ni中固熔一定量的W元素以解决上述问题,当W的原子百分比含量低于5%(简写为Ni5W)时,容易获得强的双轴立方织构。百米级高立方织构的Ni-5at.%W(Ni5W)基底已经被成功制备并且作为基底材料广泛应用于涂层导体的研究。目前,YBCO高温涂层超导电缆的应用过程中,提出YBCO材料线材制备的新思路,那么制备出满足要求的基带线材成为YBCO涂层电缆制备技术的关键。国内目前没有关于此处关键技术的提出和发明。为实现YBCO超导材料在电缆中的大规模稳定化生产,一种涂层超导Ni-W合金基带线材制备方法的提出势在必行。
发明内容
本发明的目的是为了满足YBCO涂层超导电缆的应用要求,提供一种涂层超导(Ni-5at.%W)Ni-W合金基带线材的制备方法,该方法制备的线材具有强双轴立方织构。
本发明所提供的涂层超导(Ni-5at.%W)Ni-W合金基带线材的制备方法,具体步骤如下:
1)将纯度为99.99%的Ni块和W块按W原子百分含量为5%的配比放入真空感应熔炼炉坩埚中,抽真空5min,关闭真空装置,充入Ar气到35mmHg柱,中频感应加热熔炼,初始功率为30KW保持2min,然后调为25KW熔清2min,最终20KW精炼,精炼温度为1600℃,8min后浇注到铸型模中空冷获得元素分布均匀的Ni5W合金铸锭;
2)将步骤1)中得到的Ni5W合金铸锭,于1500℃高温锻造得到厚度为12mm的长方体状,然后表面进行去氧化皮处理,加温到1500℃保持15min,热轧到10mm厚,热轧道次变形量控制在10%以内;
3)将步骤2)得到的Ni-W合金坯锭,去氧化皮处理后,并将上下表面打磨平整,采用小于5%的道次变形量进行开坯轧制,随后进行冷轧,道次变形量控制在2-5%之间,总变形量大于95%,得到厚度为60-100μm的冷轧Ni5W合金基带;
4)将步骤3)得到的冷轧Ni5W合金基带进行分条加工,按照不同涂层超导电缆的直径要求,将Ni5W合金基带线材加工成直径为2-10mm记为d,进而计算Ni5W合金基带的横向宽度t,即t=πd,冷轧Ni5W合金基带沿轧向两边毛刺去除量设置为2-3mm,根据计算结果,将上述得到的Ni5W合金基带用薄带材分条机切割,得到加工Ni5W合金基带线材所需的Ni5W合金基带;
5)将步骤4)得到的Ni5W合金基带选用直径为1.8-10mm的轧辊,通过轧辊轧制道次变形量控制范围为2-5%,使发生系列形变,在横截面变形获得U形金属槽,再利用轧辊将U形槽开口机械闭合,采用搭接工艺使横截面接近σ形,对于直径较小的管型线材成型可采用夹紧措施进行固定,随后采用激光焊进行焊接,焊接过程采用稳定的激光功率、焊接速度、离焦量和Ar保护气体流量,进而获得高质量的Ni5W合金基带管状线材,其连续管线成型工艺流程示意图见图1;
6)将步骤5)得到的冷轧Ni5W合金基带管状线材在Ar/H2混合气体保护或真空条件下于1100-1200℃下退火0.5-1h;或者在700℃下退火30-60min,然后再升温至1150℃退火30-60min,得到具有锐利双轴立方织构的Ni5W合金基带管状线材。
本发明采用真空熔炼技术于1600℃精炼8min,获得了制备长线材所需元素分布均匀的Ni5W合金铸锭。经总变形量大于95%,道次变形量小于5%轧制得到Ni5W合金基带,精密分条机分条,保证了成形管线原板材沿长度方向上的平直度。采用连续管线成型工艺,通过轧辊发生系列形变,道次变形量控制在2%-5%之间,使横截面变形获得U形金属槽,再利用轧辊将U形槽开口机械闭合,采用搭接工艺使横截面接近σ形,之后采用具有高能量密度、深穿透、高精度、适应性强的激光焊接成形,从而保证Ni5W合金基带管状线材的质量。经再结晶退火后基带线材表面形成了与弯曲应力方向成45°角的退火斑线,如图2。但形成了强的双轴立方织构,如图3-图6,线材表面的(111)和(200)极图非常集中,(111)晶面φ扫描和ω扫描的FWHM(半高宽度值)分别为5.76°和4.3°。
本发明的技术关键在于提出了Ni5W合金基带线材成型的工艺手段。首先,根据涂层导体电缆应用要求计算出成型Ni5W合金基带管线所需Ni5W合金基带的宽度,采用连续管线成型工艺和先进的激光焊接,成功制备出了涂层导体电缆用Ni5W合金基带管状线材,工艺设计流程如图1。本发明制备的Ni5W合金基带管状线材具有锐利的立方织构和良好的表面质量,可以直接外延生长过渡层和超导层,可以满足YBCO涂层导体电缆的应用要求,而且采用真空感应熔炼,连续管线成型工艺和焊接工艺制备方法,可以实现工业化生产。
附图说明
图1、Ni5W合金基带的连续管线成型工艺流程示意图;
图2、实例1中Ni5W基带线材退火后表面SEM扫描图;
图3、实例2中Ni5W基带线材退火后表面的(111)和(200)极图;
图4、实例3中Ni5W基带线材退火后表面的(111)晶面φ扫描曲线;
图5、实例3中Ni5W基带线材退火后表面的ω扫描曲线;
图6、实例4中Ni5W基带线材退火后表面的背散射电子衍射(EBSD)图。
具体实施方式
以下通过具体实施实例对本发明进行更详细的说明。实施实例仅是对本发明的一种说明,而不构成对本发明的限制。实施实例是实际应用例子,对于本领域的专业技术人员很容易掌握并验证。如果在本发明的基础上做出某种改变,那么其实质并不超出本发明的范围。
实施实例1
将纯度为99.99%的Ni块和W块按W原子百分含量为5%的配比放入真空感应熔炼炉坩埚中,抽真空5min,关闭真空装置,充入Ar气到35mmHg柱,中频感应加热熔炼,初始功率为30KW保持2min,然后调为25KW熔清2min,最终20KW精炼,精炼温度为1600℃,8min后浇注到铸型模中空冷获得元素分布均匀的Ni5W合金铸锭;将上述得到的Ni-W合金铸锭,1500℃高温锻造得厚度为12mm的长方体状,表面去氧化皮处理,1500℃保持15min,热轧到10mm,热轧道次变形量控制在10%以内;去氧化皮处理并上下表面打磨平整,采用3%的道次变形量开坯轧制,随后进行冷轧,总变形量大于95%,道次变形量控制在2-5%之间,得厚度为100μmNi5W合金基带。
分条按直径d=2mm计算Ni5W合金基带的横向宽度t=6.28mm,冷轧基带沿轧向两边毛刺去除量设置为2mm,得到成形Ni5W合金基带线材所需的Ni5W合金基带;选用直径为2-5mm的轧辊,通过轧辊轧制道次变形量3%,使发生系列形变,在横截面变形获得U形金属槽,再利用轧辊将U形槽开口机械闭合,采用搭接工艺使横截面接近σ形,并对管型线材成型采用夹紧措施进行固定,随后采用激光焊进行焊接获得高质量的Ni5W合金基带管状线材。在Ar/H2混合气体下于700℃下退火30min,然后升温至1150℃退火60min,退火后Ni5W基带线材表面SEM见图2,观察发现因基带线材直径较小,形成了与弯曲应力方向成45°角的退火斑线,但不影响再结晶立方织构的形成,最终得到具有锐利双轴立方织构的Ni5W合金基带管状线材。
实施实例2
按照实施例1,将Ni块和W块按W原子百分含量为5%的配比熔炼获得元素分布均匀的Ni5W合金铸锭,1500℃高温锻造得厚度为12mm的长方体状,表面去氧化皮处理,1500℃保持15min,热轧到10mm,热轧道次变形量控制在10%以内,去氧化皮处理并上下表面打磨平整,采用3%的道次变形量开坯轧制,随后进行冷轧,总变形量大于95%,道次变形量为3%,得厚度为80μm Ni5W合金基带。
分条按直径d=5mm计算Ni5W合金基带的横向宽度t=15.7mm,冷轧基带沿轧向两边毛刺去除量设置为2mm,得到成形Ni5W合金基带线材所需的Ni5W合金基带,选用直径为5-8mm的轧辊,通过轧辊轧制道次变形量3-5%,使发生系列形变,在横截面变形获得U形金属槽,再利用轧辊将U形槽开口机械闭合,采用搭接工艺使横截面接近σ形,随后采用激光焊进行焊接获得高质量的Ni5W合金基带管状线材,在Ar/H2混合气体或真空条件下于1100℃退火60min,退火后基带线材表面的(111)和(200)极图较集中如图3所示。
实施实例3
按照实施例1,将Ni块和W块按W原子百分含量为5%的配比熔炼获得元素分布均匀的Ni5W合金铸锭,1500℃高温锻造得厚度为12mm的长方体状,表面去氧化皮处理,1500℃保持15min,热轧到10mm,热轧道次变形量控制在10%以内,去氧化皮处理并上下表面打磨平整,采用3%的道次变形量开坯轧制,随后进行冷轧,总变形量大于95%,道次变形量为3%,得厚度为73μmNi5W合金基带。
分条按直径d=8mm计算Ni5W合金基带的横向宽度t=25.12mm,冷轧基带沿轧向两边毛刺去除量设置为2mm,得到成形Ni5W合金基带线材所需的Ni5W合金基带,选用直径为8-9mm的轧辊,通过轧辊轧制道次变形量3%,使发生系列形变,在横截面变形获得U形金属槽,再利用轧辊将U形槽开口机械闭合,采用搭接工艺使横截面接近σ形,之后采用激光焊进行焊接获得高质量的Ni5W合金基带管状线材;在Ar/H2混合气体下于700℃下退火30min,然后升温至1150℃退火30min,退火后Ni5W基带线材表面的(111)晶面phi-扫描半高宽(FWHM)值达到了5.76°见图4,ω扫描半高宽值(FWHM)达到4.3°见图5,即得到了具有锐利双轴立方织构的Ni5W合金基带管状线材。
实施实例4
按照实施例1,将Ni块和W块按W原子百分含量为5%的配比熔炼获得元素分布均匀的Ni5W合金铸锭,1500℃高温锻造得厚度为12mm的长方体状,表面去氧化皮处理,1500℃保持15min,热轧到10mm,热轧道次变形量控制在10%以内,去氧化皮处理并上下表面打磨平整,采用3%的道次变形量开坯轧制,随后进行冷轧,总变形量大于95%,道次变形量为3%,得厚度为63μm Ni5W合金基带。
分条按直径d=10mm计算Ni5W合金基带的横向宽度t=31.4mm,冷轧基带沿轧向两边毛刺去除量设置为2mm,得到成形Ni5W合金基带线材所需的Ni5W合金基带;选用直径为10mm的轧辊,通过轧辊轧制道次变形量小于3%,使发生系列形变,在横截面变形获得U形金属槽,再利用轧辊将U形槽开口机械闭合,采用搭接工艺使横截面接近σ形,之后采用激光焊进行焊接获得高质量的Ni5W合金基带管状线材。在Ar/H2混合气体下于700℃下退火30min,然后升温至1150℃退火30min,即可得到Ni5W合金基带管状线材,线材表面EBSD扫描见图6,立方织构含量达~99%(<10°)。

Claims (1)

1.一种涂层超导Ni-W合金基带线材的制备方法,具体步骤如下:
1)将纯度为99.99%的Ni块和W块按W原子百分含量为5%的配比放入真空感应熔炼炉坩埚中,抽真空5min,关闭真空装置,充入Ar气到35mmHg柱,中频感应加热熔炼,初始功率为30KW保持2min,然后调为25KW熔清2min,最终20KW精炼,精炼温度为1600℃,8min后浇注到铸型模中空冷获得元素分布均匀的Ni5W合金铸锭;
2)将步骤1)中得到的Ni5W合金铸锭,于1500℃高温锻造得到厚度为12mm的长方体状,然后表面进行去氧化皮处理,加温到1500℃保持15min,热轧到10mm厚,热轧道次变形量控制在10%以内;
3)将步骤2)得到的Ni-W合金坯锭,去氧化皮处理后,并将上下表面打磨平整,采用小于5%的道次变形量进行开坯轧制,随后进行冷轧,道次变形量控制在2-5%之间,总变形量大于95%,得到厚度为60-100μm的冷轧Ni5W合金基带;
4)将步骤3)得到的冷轧Ni5W合金基带进行分条加工,按照不同涂层超导电缆的直径要求,将Ni5W合金基带线材加工成直径为2-10mm记为d,进而计算Ni5W合金基带的横向宽度t,即t=πd,冷轧Ni5W合金基带沿轧向两边毛刺去除量设置为2-3mm,根据计算结果,将上述得到的Ni5W合金基带用薄带材分条机切割,得到加工Ni5W合金基带线材所需的Ni5W合金基带;
5)将步骤4)得到的Ni5W合金基带选用直径为1.8-10mm的轧辊,通过轧辊轧制道次变形量控制范围为2-5%,使发生系列形变,在横截面变形获得U形金属槽,再利用轧辊将U形槽开口机械闭合,采用搭接工艺使横截面接近σ形,对于直径较小的管型线材成型可采用夹紧措施进行固定,随后采用激光焊进行焊接,焊接过程采用稳定的激光功率、焊接速度、离焦量和Ar保护气体流量,进而获得高质量的Ni5W合金基带管状线材;
6)将步骤5)得到的冷轧Ni5W合金基带管状线材在Ar/H2混合气体保护或真空条件下于1100-1200℃下退火0.5-1h;或者在700℃下退火30-60mi n,然后再升温至1150℃退火30-60min,得到具有锐利双轴立方织构的Ni5W合金基带管状线材。
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Inventor before: Gao Mangmang

Inventor before: Ma Lin

Inventor before: Gao Peikuo

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