CN105499542B - 一种无磁性、高强度织构镍基合金复合基带的制备方法 - Google Patents

一种无磁性、高强度织构镍基合金复合基带的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无磁性、高强度织构镍基合金复合基带的制备方法，将钨的原子百分含量为9%~10%的镍钨合金坯锭表面清洗后固定在底注式浇注系统内作为复合坯锭的芯层，将镍块和钒块按照钒的原子百分含量为9%进行配比，将配比后的混合材料置于电磁感应真空熔炼炉中熔炼，将精炼完的液态镍钒合金材料浇注到浇注系统内，液态镍钒合金材料充满型腔得到层状复合铸锭，该复合铸锭分为三层，外层材料均为钒的原子百分含量为9%的镍钒合金，芯层为钨的原子百分含量为9%~10%的镍钨合金，对复合铸锭进行适当热处理，然后进行大变形量冷轧及再结晶退火制得无磁性、高强度的织构镍基合金复合基带，该方法简单易操作，成本低，适合工业化生产。

Description

一种无磁性、高强度织构镍基合金复合基带的制备方法
技术领域
本发明涉及一种无磁性、高强度织构镍基合金复合基带的制备方法，属于高温涂层超导体强韧化织构金属基带技术领域。
背景技术
钇系涂层超导材料与第一代铋系超导线材相比其具有高的不可逆场和高的载流能力，因此更具有竞争力，更有希望实现商业化生产并大规模应用的一种超导材料。由美国橡树岭国家实验室发明的压延辅助双轴织构基带制备技术即RABiTS技术是目前国内外学者研究的主要技术路线之一。RABiTS技术是通过对金属基底的大形变量轧制及热处理以获得锐利的立方织构，再通过缓冲层将立方织构传递给外层的YBCO超导层，而作为涂层导体用的织构金属基带是RABiTS技术路线中制备高性能超导带材的关键，其中，镍钨合金基带由于其良好的综合性能，受到了国内外学者的广泛关注，目前，Ni5W合金基带已经商业化生产，但是由于其在液氮温区的铁磁性和低的屈服强度，使得基于RABiTS路线制备的第二代高温涂层超导带材进一步的广泛应用受到了一定的限制。而研究发现层状复合基带可以降低基带整体的磁性能并提高屈服强度，因此层状复合基带的研究是解决以上问题的有效途径之一。公开号为CN102825857A（公开日2012.12.19）的专利公开了一种无磁性织构Ni基合金复合基带及其制备方法，由于其复合坯锭是通过放电等离子体烧结得到的，需要在真空条件下烧结，操作工艺复杂，并且烧结设备和维护费用都很昂贵，不适合工业化生产强立方织构的复合基带。因此，开发一种工艺简单、经济且可连续大批量生产复合基带的方法具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是为了得到无磁性、高强度立方织构镍基合金复合基带，降低成本、提高生产效率，满足更多领域的应用要求，提供一种无磁性、高强度织构镍基合金复合基带的制备方法。
本发明所提供的无磁性、高强度织构镍基合金复合基带的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤S100：浇注系统的设计和制备
步骤S101：将采用真空感应熔炼获得的钨的原子百分含量为9%~10%的镍钨合金经过高温锻造及热轧得到镍钨合金坯锭，再将镍钨合金坯锭机械打磨去掉氧化皮，表面清洗后得到芯层材料；
步骤S102：将步骤S101得到的芯层材料焊接在固定支架的中部；
步骤S103：将步骤S102得到的固定支架用水泥砌在铸型上，其中芯层材料位于两侧的铸型之间；
步骤S104：将步骤S103得到的铸型用水泥砌在内部设有浇道的耐火材料一侧，其中芯层材料两侧的型腔与耐火材料内部的浇道相通，流槽用水泥砌在内部设有浇道的耐火材料另一侧，其中流槽与耐火材料内部的浇道相通，流槽的开口上端设计有漏斗状浇口杯；
步骤S200：复合铸锭的制备
步骤S201：将镍块和钒块按照钒的原子百分含量为9%进行配比；
步骤S202：将步骤S201得到的混合材料置于电磁感应真空熔炼炉中熔炼；
步骤S203：将经过步骤S202熔炼获得的液态镍钒合金材料浇注到步骤S104得到的浇注系统内，液态镍钒合金材料充满整个型腔，待冷却后脱模并切掉四周的余料得到复合铸锭，该复合铸锭分为三层，外层均为钒的原子百分含量为9%的镍钒合金，芯层为钨的原子百分含量为9%~10%的镍钨合金；
步骤S300：复合铸锭的低温热处理
步骤S301：将步骤S203中得到的层状复合铸锭在900℃进行热处理，保温2~4小时；
步骤S400：复合铸锭的冷轧及再结晶热处理
步骤S401：将经过步骤S301处理得到的复合铸锭进行大变形量冷轧得到冷轧复合基带，道次变形量为2%~15%，总变形量为95%；
步骤S402：将经过步骤S401处理的冷轧复合基带在氮气和氢气的混合气体中进行再结晶热处理得到无磁性、高强度织构镍基合金复合基带，其中氮气与氢气的混合气体中氢气的体积分数为10%，再结晶热处理工艺为1100~1150℃保温1.5小时。
本发明采用熔铸法制备层状复合坯锭，外层合金凝固后在界面处与芯层合金形成冶金结合，与放电等离子体烧结技术相比可以制备大尺寸的复合铸锭，生产效率得到了明显提高；中间采用热处理工艺消除了铸造应力，并使界面处的溶质原子充分固溶，避免形成脆性的金属间化合物，另外，适当的热处理使外层和芯层界面处溶质原子充分扩散，形成一定厚度的扩散层，在不采用热轧的条件下使复合铸锭在后续大变形量冷轧过程中不会开裂或分层；在再结晶热处理过程中采用了含有廉价氮气的N2/H2混合气体，与Ar/H2混合气体相比成本更低，更适用于工业化生产。
本发明设计的镍基合金复合基带在液氮温区具有无磁性的特点，在室温下镍基合金复合基带的强度与相应的单层镍钒合金复合基带相比有大幅度提高。
附图说明
图1是本发明浇注系统的结构示意图；
图2是本发明实施例1制得的镍基合金复合基带截面的扫描电镜图；
图3是本发明实施例1制得的镍基合金复合基带表面的（001）面极图；
图4是本发明实施例1制得的镍基合金复合基带的应力应变曲线图；
图5是本发明实施例2制得的镍基合金复合基带表面的（001）面极图；
图6是本发明实施例2制得的镍基合金复合基带的应力应变曲线图。
图中：1、固定支架，2、铸型，3、芯层材料，4、浇道，5、流槽，6、液态镍钒合金材料。
具体实施方式
实施例1
步骤S100：浇注系统的设计和制备
步骤S101：设计结构如图1所示的底注式浇注系统；
步骤S102：将采用真空感应熔炼获得的钨的原子百分含量为9%的镍钨合金经过高温锻造及热轧得到镍钨合金坯锭，将镍钨合金坯锭机械打磨去掉氧化皮，表面清洗后得到芯层材料3，如图1所示位置；
步骤S103：将步骤S102得到的芯层材料3焊接在固定支架1上；
步骤S104：将步骤S103得到的固定支架1用水泥砌在铸型2上；
步骤S105：将步骤S104得到的铸型2用水泥砌在内部有浇道4的耐火材料上，流槽5上端设计的漏斗状浇口杯有助于坩埚内的合金液体导入流槽；
步骤S200：复合铸锭的制备
步骤S201：将镍块和钒块按照钒的原子百分含量为9%进行配比；
步骤S202：将步骤S201得到的混合材料置于电磁感应真空熔炼炉中熔炼；
步骤S203：将经过步骤S202熔炼获得的液态镍钒合金材料6浇注到步骤S105得到的浇注系统内，液态镍钒合金材料6充满整个铸型型腔，待冷却后脱模并切掉四周的余料得到复合铸锭，该复合铸锭分为三层，外层均为钒的原子百分含量为9%的镍钒合金，芯层为钨的原子百分含量为9%的镍钨合金；
步骤S300：复合铸锭的低温热处理
步骤S301：将步骤S203中得到的层状复合铸锭在900℃进行热处理，保温2小时；
步骤S400：复合铸锭的冷轧及再结晶热处理
步骤S401：将经过步骤S301处理得到的复合铸锭进行大变形量冷轧得到冷轧复合基带，道次变形量为3%，总变形量为95%；
步骤S402：将经过步骤S401处理的冷轧复合基带在氮气和氢气的混合气体中进行再结晶热处理，得到高强度、无磁性的立方织构镍基合金复合基带，其中氮气和氢气的混合气体中氢气的体积分数为10%，再结晶热处理工艺为1100℃保温1.5小时。
图2为制得的镍基合金复合基带截面的扫描电镜图，由图可知制得的镍基合金复合基带层间界面结合良好，该镍基合金复合基带表面的（001）面极图如图3所示，表明该镍基合金复合基带表面获得了强立方织构，图4为该镍基合金复合基带室温下的应力应变曲线图，由图可知该镍基合金复合基带在室温下的屈服强度达到了210MPa，明显高于单层镍钒合金复合基带的屈服强度。
实施例2
步骤S100：浇注系统的设计和制备
步骤S101：设计结构如图1所示的底注式浇注系统；
步骤S102：将采用真空感应熔炼获得的钨的原子百分含量为10%的镍钨合金经过高温锻造及热轧得到镍钨合金坯锭，将镍钨合金坯锭机械打磨去掉氧化皮，表面清洗后得到芯层材料3，如图1所示位置；
步骤S103：将步骤S102得到的芯层材料3焊接在固定支架1上；
步骤S104：将步骤S103得到的固定支架1用水泥砌在铸型2上；
步骤S105：将步骤S104得到的铸型2用水泥砌在内部有浇道4的耐火材料上，流槽5上端设计的漏斗状浇口杯有助于坩埚内的合金液体导入流槽；
步骤S200：复合铸锭的制备
步骤S201：将镍块和钒块按照钒的原子百分含量为9%进行配比；
步骤S202：将步骤S201得到的混合材料置于电磁感应真空熔炼炉中熔炼；
步骤S203：将经过步骤S202熔炼获得的液态镍钒合金材料6浇注到步骤S105得到的浇注系统内，液态镍钒合金材料6充满整个铸型型腔，待冷却后脱模并切掉四周的余料得到复合铸锭，该复合铸锭分为三层，外层均为钒的原子百分含量为9%的镍钒合金，芯层为钨的原子百分含量为9%的镍钨合金；
步骤S300：复合铸锭的低温热处理
步骤S301：将步骤S203中得到的层状复合铸锭在900℃进行热处理，保温4小时；
步骤S400：复合铸锭的冷轧及再结晶热处理
步骤S401：将经过步骤S301处理得到的复合铸锭进行大变形量冷轧得到冷轧复合基带，道次变形量为5%，总变形量为95%；
步骤S402：将经过步骤S401处理的冷轧复合基带在氮气和氢气的混合气体中进行再结晶热处理得到高强度、无磁性的立方织构镍基复合基带，其中氮气和氢气的混合气体中氢气的体积分数为10%，再结晶热处理工艺为1150℃保温1.5小时。
制得的镍基合金复合基带表面的（001）面极图如图5所示，表明该镍基合金复合基带表面获得了强立方织构，图6为该镍基合金复合基带室温下的应力应变曲线图，由图可知该镍基合金复合基带在室温下的屈服强度达到了240MPa，明显高于单层镍钒合金复合基带的屈服强度。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (1)

1.一种无磁性、高强度织构镍基合金复合基带的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤S100：浇注系统的设计和制备
步骤S101：将采用真空感应熔炼获得的钨的原子百分含量为9%~10%的镍钨合金经过高温锻造及热轧得到镍钨合金坯锭，再将镍钨合金坯锭机械打磨去掉氧化皮，表面清洗后得到芯层材料；
步骤S102：将步骤S101得到的芯层材料焊接在固定支架的中部；
步骤S103：将步骤S102得到的固定支架用水泥砌在铸型上，其中芯层材料位于两侧的铸型之间；
步骤S104：将步骤S103得到的铸型用水泥砌在内部设有浇道的耐火材料一侧，其中芯层材料两侧的型腔与耐火材料内部的浇道相通，流槽用水泥砌在内部设有浇道的耐火材料另一侧，其中流槽与耐火材料内部的浇道相通，流槽的开口上端设计有漏斗状浇口杯；
步骤S200：复合铸锭的制备
步骤S201：将镍块和钒块按照钒的原子百分含量为9%进行配比；
步骤S202：将步骤S201得到的混合材料置于电磁感应真空熔炼炉中熔炼；
步骤S203：将经过步骤S202熔炼获得的液态镍钒合金材料浇注到步骤S104得到的浇注系统内，液态镍钒合金材料充满整个型腔，待冷却后脱模并切掉四周的余料得到复合铸锭，该复合铸锭分为三层，外层均为钒的原子百分含量为9%的镍钒合金，芯层为钨的原子百分含量为9%~10%的镍钨合金；
步骤S300：复合铸锭的低温热处理
步骤S301：将步骤S203中得到的层状复合铸锭在900℃进行热处理，保温2~4小时；
步骤S400：复合铸锭的冷轧及再结晶热处理
步骤S401：将经过步骤S301处理得到的复合铸锭进行大变形量冷轧得到冷轧复合基带，道次变形量为2%~15%，总变形量为95%；
步骤S402：将经过步骤S401处理的冷轧复合基带在氮气和氢气的混合气体中进行再结晶热处理得到无磁性、高强度织构镍基合金复合基带，其中氮气与氢气的混合气体中氢气的体积分数为10%，再结晶热处理工艺为1100~1150℃保温1.5小时。
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