CN109576744A - 一种扩散法制备涂层导体用织构镍基高钨合金基带的方法 - Google Patents

一种扩散法制备涂层导体用织构镍基高钨合金基带的方法 Download PDF

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Abstract

一种扩散法制备涂层超导用织构镍基高钨合金基带的方法，属于金属加工技术领域。其包括以下步骤：将表面经过清洁的低W合金基带作为阴极，W合金基带中W≤7at.％，镍板作为阳极进行电镀，以钨酸钠和硫酸镍为主盐，配置溶液，电镀温度为60～80℃，电流密度15～20mA/cm‑2，pH值为4～5，沉积时间为3～5min，将得到的富W层合金基带在Ar/H2混合保护气氛下进行扩散热处理，热处理温度为1000～1150℃，保温时间为40～60min。此方法可以有效避免低层错能对获得立方织构的影响，容易制备出W含量≥7at.％的织构NiW合金基带，极大提升Ni‑W合金基带整体的机械性能和降低磁损耗。

Description

一种扩散法制备涂层导体用织构镍基高钨合金基带的方法
技术领域
本发明涉及一种用于涂层导体的高钨含量(W的含量≥7at.％)NiW合金基带的制备方法，属于金属加工技术领域。
背景技术
以YBCO为代表的第二代高温超导材料凭借其优异的性能而具有广泛的应用前景。压延辅助双轴织构基板技术(RABiTS)是一种制备高性能YBCO涂层导体用双轴织构镍基合金基带的方法。该方法通过先轧制形变再进行热处理的工艺，获得立方织构，相对于双离子束辅助沉积技术(IBAD)，该方法所使用的设备简单且制备成本较低。但目前RABiTS路线获得的织构金属基板存在的主要问题是：低W含量的NiW合金(如Ni-5at.％W)基带的强立方织构虽容易获得，但它还具有一定的铁磁性，应用过程中会产生磁滞损耗，同时力学性能相对较差，屈服强度较低。随着W含量的增加，可以有效提升NiW合金的屈服强度，当W含量≥7at.％时NiW合金基带能够明显改善上述问题，甚至能够有效解决(当W含量≥9.3at.％时在使用温度下表现出无磁性)。但由于W含量的增加会导致其层错能急剧下降，这使得采用RABiTS路线制备的高W含量合金基带不易获得强立方织构，成为了RABiTS路线的瓶颈。
为了解决这个问题，研究人员提出复合基带的概念，其制备思路是将容易获得强立方织构的金属或合金作为外层材料，高强度、低或无磁性金属或合金作为芯层材料，制备成层状结构的复合坯锭；再通过传统的RABiTS技术路线得到表面强立方织构、整体高强度、低或无磁性的复合基带。该方法制备复合基带时，不同W含量的层之间结合力相对较弱，轧制过程中会造成复合坯锭开裂分层，热处理过程中W从高浓度区域向低浓度区域发生扩散时也会影响低钨层强立方织构的形成。因此如何在提高NiW合金中W含量的同时也能获得高立方织构含量，成为基带研究的热点与难点。
因此采用扩散法制备出结合力较强的高钨复合基带，该方法相比于传统的粉末冶金法，采用电镀结合后续热处理工艺，而未通过等离子放电烧结、轧制、多次退火的传统工艺，极大简化了制备工艺流程，进一步推进高钨合金基带在二代高温超导材料涂层导体中的应用。
发明内容
本发明的目的是提出一种采用扩散手段制备涂层导体用织构镍基高钨合金基带的方法，该方法可以有效提高NiW基带中的W含量，极大提升NiW合金基带整体的机械性能、降低磁损耗，避免低层错能对获得立方织构的影响，减少传统轧制工艺中坯锭容易产生开裂的现象，提高成品率，降低生产成本。
一种扩散法制备涂层超导用织构镍基高钨合金基带的方法包括以下步骤：
(1)电镀
将表面经过清洁的低W合金基带(W≤7at.％)作为阴极，镍板作为阳极进行电镀，以钨酸钠和硫酸镍为主盐，分别配置NiSO4·6H2O含量为105～120g/l，Na2WO4·2H2O含量为50～70g/l，C6H8O7含量为25～30g/l,Na3C6H5O7·2H2O含量为25～30g/l，NiCl2·6H2O含量为10g/l,H3BO3含量为0.8～1.2g/l，C7H5O3NS含量为1.6～1.8g/l的混合溶液，电镀温度为60～80℃，电流密度15～20mA/cm-2，pH值为4～5，沉积时间为3～5min，进行电沉积以在低钨合金基带表面获得高W含量的纳米晶沉积层。
(2)扩散热处理
将步骤(2)得到的富W层合金基带在Ar/H2混合保护气氛下进行扩散热处理，在较大的浓度梯度下，表层的W原子开始向芯层发生扩散，镀层间的边界逐渐消失，形成浓度梯度渐变区，并且随着保温时间的增加，扩散现象愈发完全，基带整体成分趋于一致，已无明显的元素组分分布差异，此时表层的W原子大量渗入织构的低W芯层，置换出大量Ni原子，形成置换固溶体，提高了低W芯层的W含量；置换出的Ni原子在向外扩散中外延立方织构生长，均匀热处理温度为1000～1150℃，保温时间为40～60min，保温时间随镀层厚度的升高而增加，随炉冷却，以获得具有强立方织构的高钨复合基带。
本发明设计的扩散法制备涂层超导用织构镍基高钨合金基带的方法，它与现有方法具有显著区别：现有的RABiTS路线是先通过轧制形变获得高W含量的带材，后经过再结晶热处理，获得立方织构，而本发明的方法则是在已有织构的低W含量的带材表面，通过电镀的方法，获得富W层，后经过扩散的手段，获得织构的高W含量带材。此方法可以有效避免低层错能对获得立方织构的影响，容易制备出W含量≥7at.％的织构NiW合金基带，可极大提升Ni-W合金基带整体的机械性能和降低磁损耗。
附图说明
图1、实施例1中电沉积后合金基带的EDS图；
图2、实施例1中合金基带在1000℃下保温1h后的EDS图；
图3、实施例1中合金基带在1000℃下保温1h后的(111)极图；
图4、实施例2中电沉积后合金基带的EDS图像；
图5、实施例2中合金基带在1150℃下保温40min后的EDS图像；
图6、实施例2中合金基带在1150℃下保温40min后的(111)极图；
具体实施方式
实例1
对已获得强立方织构的Ni5W合金基带依次经过无水乙醇、丙酮进行超声清洗后，用去离子水冲洗干净后进行干燥。第二步进行电镀，电镀液配方为NiSO4·6H2O含量为120g/l，Na2WO4·2H2O含量为70g/l，C6H8O7含量为25g/l,Na3C6H5O7·2H2O含量为25g/l，NiCl2·6H2O含量为10g/l,H3BO3含量为0.8g/l，C7H5O3NS含量为1.6g/l的混合溶液，溶液在室温下使用硫酸调节pH值为4，电镀温度为60℃，电流密度15mA/cm2，沉积时间为5min，使用镍板作为阴极材料，在Ni5W表面获得高钨含量的纳米晶沉积层。最后在H2体积分数为4％的Ar/H2混合保护气氛下进行扩散热处理，热处理温度为1000℃，升温速率为5℃/min，保温时间为1h，随炉冷却后，可在镀层表面外沿立方织构，并得到表面钨含量为9at.％的高钨复合基带。
实例2
对已获得强立方织构的Ni5W合金基带依次经过无水乙醇、丙酮进行超声清洗后，用去离子水冲洗干净后进行干燥。第二步进行电镀，电镀液配方为NiSO4·6H2O含量为105g/l，Na2WO4·2H2O含量为50g/l，C6H8O7含量为30g/l,Na3C6H5O7·2H2O含量为30g/l，NiCl2·6H2O含量为10g/l,H3BO3含量为1.2g/l，C7H5O3NS含量为1.8g/l的混合溶液，溶液在室温下使用硫酸调节pH值为5，电镀温度为80℃，电流密度20mA/cm2，沉积时间为3min，使用镍板作为阴极材料，在Ni5W表面获得高钨含量的纳米晶沉积层。最后在H2体积分数为6％的N2/H2混合保护气氛下进行扩散热处理，热处理温度为1150℃，升温速率为5℃/min，保温时间为40min，随炉冷却后，可在镀层表面外沿立方织构，并得到表面钨含量为7at.％的高钨复合基带。

Claims (3)

1.一种扩散法制备涂层超导用织构镍基高钨合金基带的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)电镀
将表面经过清洁的低W合金基带作为阴极，W合金基带中W≤7at.％，镍板作为阳极进行电镀，以钨酸钠和硫酸镍为主盐，配置NiSO4·6H2O含量为105～120g/l，Na2WO4·2H2O含量为50～70g/l，C6H8O7含量为25～30g/l,Na3C6H5O7·2H2O含量为25～30g/l，NiCl2·6H2O含量为10g/l,H3BO3含量为0.8～1.2g/l，C7H5O3NS含量为1.6～1.8g/l的混合溶液，电镀温度为60～80℃，电流密度15～20mA/cm-2，pH值为4～5，沉积时间为3～5min，进行电沉积以在低钨合金基带表面获得高W含量的纳米晶沉积层；
(2)扩散热处理
将上一步骤得到的富W层合金基带在Ar/H2混合保护气氛下进行扩散热处理，热处理温度为1000～1150℃，保温时间为40～60min。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：保温时间随镀层厚度的升高而增加。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：Ar/H2混合保护气氛中H2体积分数为6％。
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