CN115157016A - 高温超导哈氏合金基带表面离子束抛光方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了高温超导哈氏合金基带表面离子束抛光方法及装置，由离子源发出的离子束经由矩形形状的引出栅后，形成具有相应矩形截面的离子束，以空间扫描式离子束对哈氏合金基带表面进行抛光处理；相对于哈氏合金基带的走带方向，离子束抛光方向与法线呈正向及负向角度；通过引出栅出来的离子束完全覆盖哈氏合金基带的宽度方向，并在长度方向具有米级的覆盖能力。本发明采用Ar离子束抛光，减少环境污染，降低抛光成本，提高抛光效果，有利于对哈氏合金基带表面进行活化，有助于在基带表面进行后续缓冲隔离层及超导层的沉积。

Description

高温超导哈氏合金基带表面离子束抛光方法及装置
技术领域
本发明涉及金属基带的表面处理技术领域，具体涉及一种高温超导哈氏合金基带表面离子束抛光方法及装置。
背景技术
第二代高温超导带材采用铜酸盐REBCO(REBa2Cu3Ox，RE＝Y,Gd)作为超导层，具有高的临界温度、临界磁场和临界电流密度等优势，是未来超导材料发展的主要方向，在超导电力设备、强磁场磁体等方面具有巨大的应用前景。REBCO超导层采用沉积生长方式，超导层具有特定晶体取向才能具有超导特性，因此对哈氏合金基带的平整性和表面粗糙度要求极高(超导层沉积前的粗糙度Ra≤1nm，并且基带最好具有立方织构取向{100}<001>)。轧制后的哈氏合金基带由于小角晶界的存在、纳米级的表面粗糙度、表面清洁度以及晶界沟槽效应等都会严重影响带材的性能，需要后续表面处理进行整平。
目前最常见的是电化学抛光，但往往出现弱抛或过抛现象，产生较多缺陷；同时，基带若存有残留抛光液，会严重影响后续超导层的超导性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：常规电化学抛光往往出现弱抛或过抛现象，且基带易存有残留抛光液本，发明提供了解决上述问题的高温超导哈氏合金基带表面离子束抛光方法及装置，采用Ar离子束抛光，减少环境污染，降低抛光成本，提高抛光效果，有利于对哈氏合金基带表面进行活化，有助于在基带表面进行后续缓冲隔离层及超导层的沉积。
本发明通过下述技术方案实现：
高温超导哈氏合金基带表面离子束抛光方法，由离子源发出的离子束经由矩形形状的引出栅后，形成具有相应矩形截面的离子束，以空间扫描式离子束对哈氏合金基带表面进行抛光处理；相对于哈氏合金基带的走带方向，离子束抛光方向与法线呈正向及负向角度；通过引出栅出来的离子束完全覆盖哈氏合金基带的宽度方向，并在长度方向具有米级的覆盖能力。
本发明离子束抛光效率比一般的电化学抛光高，可进一步提高产能；与电化学抛光相比，可减少大量环境污染。哈氏合金基带表面无化学残留，提高后续缓冲隔离层及超导层沉积的质量。本发明提供的高温超导哈氏合金基带表面离子束抛光方法，离子源及引出栅采用与带材尺寸匹配的超大长宽比矩形设计，适合长带抛光；采用空间扫描式Ar离子束抛光对哈氏合金基带进行非接触式纳米级表面处理，可极大提高工作效率、提高产能。
进一步可选地，设置固定矩形形状的引出栅的尺寸为：宽度5mm-50mm，长度500mm-1500mm，栅孔尺寸≤2.5mm；引出栅尺寸适应于哈氏合金基带的尺寸。
进一步可选地，所述哈氏合金基带受到空间扫描式离子束轰击，设置频率30Hz-100Hz，离子束与哈氏合金基带法线的角度45°-85°，离子能量50eV-1500eV，离子束流30mA-1000mA。
进一步可选地，设置频率50Hz，离子束与哈氏合金基带法线的角度60°-70°，离子能量1000eV-1200eV，离子束流200mA-500mA。
进一步可选地，所述哈氏合金基带的走带速度30m/h-100m/h。
进一步可选地，所述离子束包括Ar离子束。
进一步可选地，对哈氏合金基带表面进行抛光处理过程种，使用低能电子束来中和离子束电荷。
进一步可选地，原始哈氏合金基带的表面粗糙度≤20nm；经离子束抛光处理后的哈氏合金基带的表面粗糙度≤1nm。
一种高温超导哈氏合金基带表面离子束抛光装置，包括走带系统、离子源和真空系统；
所述走带系统，用于哈氏合金长基带的走带；
所述离子源，用于哈氏合金长基带的离子束抛光；
所述真空系统，用于离子束抛光装置抽真空；
所述离子源包括等离子体腔室、设置在等离子体腔室顶部的天线和设置在等离子体腔室出口处的引出栅；所述引出栅出来的高能离子束完全覆盖哈氏合金基带的宽度方向，引出栅的长度在哈氏合金基带的长度方向上具有米级的覆盖能力。
进一步可选地，所述引出栅为矩形形状，矩形形状尺寸为：宽度5mm-50mm，长度500mm-1500mm，引出栅的栅孔排布呈蜂窝状，栅孔尺寸≤2.5mm。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明提供的高温超导哈氏合金基带表面离子束抛光方法及装置，离子源及引出栅采用与带材尺寸匹配的超大长宽比矩形设计，适合长带抛光；采用空间扫描式Ar离子束抛光对哈氏合金基带进行非接触式纳米级表面处理，可极大提高工作效率、提高产能。
2、本发明提供的高温超导哈氏合金基带表面离子束抛光方法及装置，Ar离子束抛光效率比一般的电化学抛光高，可进一步提高产能；与电化学抛光相比，可减少大量环境污染。哈氏合金基带表面无化学残留，提高后续缓冲隔离层及超导层沉积的质量。
3、本发明提供的高温超导哈氏合金基带表面离子束抛光方法及装置，离子束抛光无边缘效应，不产生表面损伤，可提高哈氏合金基带表面平整度、大幅降低表面粗糙度，得到纳米加工精度，有利于活化表面进行后期缓冲隔离层和超导层的沉积。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为利用射频感应放电产生Ar离子束的离子源示意图。
图2为经由引出栅形成适应于基带长宽比矩形截面的空间扫描式Ar离子束抛光示意图。
图3为抛光前的原始哈氏合金基带表面微观结构(原子力显微镜)。
图4为经Ar离子束抛光后的哈氏合金基带表面微观结构(原子力显微镜)。
附图中标记及对应的零部件名称：1-天线，2-等离子体腔室，3-引出栅，4-哈氏合金基带。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
实施例1
本实施例提供了一种高温超导哈氏合金基带表面离子束抛光方法，适用于对第二代高温超导哈氏合金基带进行表面离子束抛光处理，具体如下所示：
离子束种类为Ar离子束。Ar离子束的产生主要利用射频感应放电，即使用射频感应耦合离子源，其内壁为陶瓷，防止溅射污染。Ar离子束经引出栅加速至高能，对哈氏合金基带表面进行轰击剥离。引出栅的尺寸与哈氏合金基带尺寸吻合(即引出栅的宽度等于或大于哈氏合金基带的宽度，引出栅的长度方向与哈氏合金基带的长度方向(或者走带方向)相同)，为窄长形设计，采用钨、钼、石墨等耐溅射材料整体加工而成，宽度5mm-50mm，长度500mm-1500mm；引出栅孔排布呈蜂窝状，尺寸≤2.5mm。
哈氏合金基带受到Ar离子束轰击；离子束抛光方向相对于走带方向与法线呈正向及负向角度，哈氏合金基带会交替受到相对于走带方向的正向及反向离子束轰击，以提高抛光效率和抛光质量。离子束抛光方向通过控制正弦高压电场来实现(空间式扫描)，频率30z-100Hz，优选50Hz。Ar离子束与基带法线的角度45°-85°，优选角度为60°-70°；离子能量50eV-1500eV，优选能量1000eV-1200eV；离子束流30mA-1000mA，优选200mA-500mA。抛光速率一般随着离子束频率、角度、能量、束流等参数的增大而增加，但能量和束流过大也可能会存在烧损材料的可能性。因此，在实际工作中，还需优化控制各种参数以达到满意的抛光速率和抛光质量。
对哈氏合金基带的Ar离子束抛光处理过程在真空系统中完成，设置本底真空≤10-4Pa。Ar离子束抛光设备采用走带系统，对哈氏合金基带进行走带，走带速度≥30m/h。其中设置离子源，利用空间扫描式离子束对对哈氏合金基带进行抛光。并利用低能电子束中和离子束电荷，防止局部拉弧损伤。
本实施例涉及的第二代高温超导哈氏合金基带表面离子束抛光方法，利用Ar离子束对哈氏合金基带进行抛光处理，得到粗糙度≤1nm的精细表面，更优选地，哈氏合金基带表面经Ar离子束抛光处理后的表面粗糙度≤0.1nm。在此基础上，可满足后续超导层的织构制备需求，完成缓冲隔离层和超导层的沉积制备，得到第二代高温超导带材。
实施例2
本实施例提供了一种高温超导哈氏合金基带表面离子束抛光装置，包括：
卷对卷走带系统，用于哈氏合金长基带的走带；
离子源，用于哈氏合金长基带的离子束抛光；本实施例离子源采用射频感应离子源；
真空系统，用于离子束抛光设备抽真空，要求抛光前本底真空≤10-4Pa。
离子源设计如图1所示，离子源包括立方形的等离子体腔室2、设置在等离子体腔室2顶部的“蚊香线圈”型天线1(用于激励等离子体)和设置在等离子体腔室2出口处的引出栅3。
“蚊香线圈”型天线1用于激励等离子体，立方形的等离子体腔室2内壁为陶瓷，防止溅射污染。在立方形的等离子体腔室2中生成Ar离子及电子，Ar离子通过引出栅3加速生成高能Ar离子束。为了适应哈氏合金基带的尺寸，离子源为超大长宽比的矩形设计。引出栅3的尺寸与哈氏合金基带尺寸吻合，为窄长形设计，采用钨、钼、石墨等耐溅射材料整体加工而成。引出栅3的栅孔排布呈蜂窝状，尺寸≤2.5mm。通过引出栅3出来的高能离子束完全覆盖哈氏合金基带的宽度方向，如5mm-50mm，并在长度方向具有米级的覆盖能力，如500mm-1500mm。离子束在抛光范围内具有能量密度大、分布均匀的特点。经由引出栅3加速的高能离子束采用空间扫描方式对哈氏合金基带进行抛光，扫描角度及频率通过正弦高压电场的波形来控制。本实施例使用低能电子束中和离子束电荷，防止离子束抛光过程中非金属走带系统所带来的电荷沉积而带来的局部拉弧损伤缺陷，从而保证抛光质量。
采用本实施例提供的离子束抛光装置实现实施例1的离子束抛光方法，如图2所示，通过卷对卷走带系统将粗糙度≤20nm的原始哈氏合金基带送入等离子体腔室2。为了保证哈氏合金基带的抛光均匀性，走带需保持均匀前进的速度，速度范围30m/h-100m/h，优选速度≥60m/h，本实施例更优选地100m/h。空间扫描式离子束的频率30Hz-100Hz，优选频率50Hz；Ar离子束与基带法线的角度45°-85°，优选角度为60°-70°，本实施例角度为66°；离子能量50eV-1500eV，优选能量1000eV-1200eV，本实施例为1150eV；离子束流30mA-1000mA，优选200mA-500mA，本实施例更优选为300mA。由于采用扫描式离子束抛光方式，哈氏合金基带4会交替受到相对于走带方向的正向及反向离子束轰击。
离子束抛光前的原始哈氏合金基带的表面形貌如图3。哈氏合金基带4上述离子束抛光后，如图4所示，可得到表面粗糙度≤1nm的高精密哈氏合金基带。
缓冲隔离层及超导层的沉积设备可以与离子束抛光装置集成，也可单独设置。缓冲隔离层及超导层的沉积，在达到哈氏合金基带经离子束抛光后的表面粗糙度且满足相应的真空要求后进行。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.高温超导哈氏合金基带表面离子束抛光方法，其特征在于，
由离子源发出的离子束经由矩形形状的引出栅后，形成具有相应矩形截面的离子束，以空间扫描式离子束对哈氏合金基带表面进行抛光处理；相对于哈氏合金基带的走带方向，离子束抛光方向与法线呈正向及负向角度；
通过引出栅出来的离子束完全覆盖哈氏合金基带的宽度方向，并在长度方向具有米级的覆盖能力。
2.根据权利要求1所述的高温超导哈氏合金基带表面离子束抛光方法，其特征在于，设置固定矩形形状的引出栅的尺寸为：宽度5mm-50mm，长度500mm-1500mm，栅孔尺寸≤2.5mm；引出栅尺寸适应于哈氏合金基带的尺寸。
3.根据权利要求1所述的高温超导哈氏合金基带表面离子束抛光方法，其特征在于，所述哈氏合金基带受到空间扫描式离子束轰击，设置频率30Hz-100Hz，离子束与哈氏合金基带法线的角度45°-85°，离子能量50eV-1500eV，离子束流30mA-1000mA。
4.根据权利要求3所述的高温超导哈氏合金基带表面离子束抛光方法，其特征在于，设置频率50Hz，离子束与哈氏合金基带法线的角度60°-70°，离子能量1000eV-1200eV，离子束流200mA-500mA。
5.根据权利要求1所述的高温超导哈氏合金基带表面离子束抛光方法，其特征在于，所述哈氏合金基带的走带速度30m/h-100m/h。
6.根据权利要求1所述的高温超导哈氏合金基带表面离子束抛光方法，其特征在于，所述离子束包括Ar离子束。
7.根据权利要求1所述的高温超导哈氏合金基带表面离子束抛光方法，其特征在于，对哈氏合金基带表面进行抛光处理过程中，使用低能电子束来中和离子束电荷。
8.根据权利要求1至7任一项所述的高温超导哈氏合金基带表面离子束抛光方法，其特征在于，原始哈氏合金基带的表面粗糙度≤20nm；经离子束抛光处理后的哈氏合金基带的表面粗糙度≤1nm。
9.高温超导哈氏合金基带表面离子束抛光装置，其特征在于，包括走带系统、离子源和真空系统；
所述走带系统，用于哈氏合金长基带的走带；
所述离子源，用于哈氏合金长基带的离子束抛光；
所述真空系统，用于离子束抛光装置抽真空；
所述离子源包括等离子体腔室(2)、设置在等离子体腔室(2)顶部的天线(1)和设置在等离子体腔室(2)出口处的引出栅(3)；
所述引出栅(3)出来的高能离子束完全覆盖哈氏合金基带的宽度方向，引出栅(3)的长度在哈氏合金基带的长度方向上具有米级的覆盖能力。
10.根据权利要求9所述的高温超导哈氏合金基带表面离子束抛光装置，其特征在于，所述引出栅(3)为矩形形状，矩形形状尺寸为：宽度5mm-50mm，长度500mm-1500mm，引出栅(3)的栅孔排布呈蜂窝状，栅孔尺寸≤2.5mm。
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