论文部分内容阅读
涂层超导材料是一种具有广泛应用前景,性能优异的功能材料。获得高性能韧性金属合金基板是制备高载流能力涂层导体带材的基础。目前,织构金属基板存在的主要问题是商业化的织构Ni-5at％W(Ni5w)合金基带的力学性能和磁性能不能充分满足涂层导体应用的广泛要求。制备高W含量(≥7at.％)NiW合金基带能够有效解决上述问题,但其层错能的急剧下降导致基带中不易获得单一的立方取向。而作为另一种选择的复合基带,其力学性能和磁性能均得到了大幅改善,但是立方织构在这种具有层状结构的双金属合金中的形成机理以及实际应用中的稳定性尚不清楚。针对以上问题,本论文开展了高性能织构NiW合金基带的制备以及立方织构形成机理方面的研究。论文获得了以下创新性研究成果。
采用粉末冶金技术路线,设计了一种溶质原子扩散思路并制备了溶质原子钨(W)具有“条带状”分布的Ni-9.3at.％W(Ni9.3W)合金冷轧基带。结合该制备思路,通过对最初坯锭的冷挤压处理和优化的三步热处理工艺显著提高了Ni9.3w基带中再结晶立方取向的百分比,其立方织构含量为85％(＜100),与国际上其他小组报道的结果处于同一水平。基于以上实验首次提出并建立了第一种溶质原子扩散模型(简称溶质扩散模型Ⅰ),同时做为验证将此模型成功应用于制备无磁性的Ni-12at.％V(Ni12V)合金基带,其立方织构含量高达99.5％(＜100),这一结果为目前对该合金基带研究报道的最高值。可见,采用提出的溶质扩散模型Ⅰ是制备无磁性高立方织构含量合金基带的一条行之有效的思路。
采用熔铸技术路线,在国际上首次提出了运用轧制间回复热处理技术制备高立方织构含量的高W含量NiW(Ni7W和Ni9.3w)合金基带。其中制备的Ni7W基带立方织构含量为98.5％(＜10°),小角度晶界含量为91.2％(＜10°),达到了商业Ni5W基带的水平。Ni9.3W基带再结晶立方织构含量为88.7％(＜10°),这一结果比采用相同方法普通冷轧制备的Ni9.3W基带中立方织构含量增加了28％,接近国际先进水平。同时,研究了温轧技术对高W含量NiW合金基带织构演变的影响,温轧基带经再结晶热处理后基带中立方织构含量比冷轧制备的基带大幅增加,证明了温轧技术可改进Ni9.3W合金基带立方织构含量的可行性。
首次阐明了静态和动态回复在采用熔铸路线制备的高w含量Niw合金基带立方织构形成中的作用机制。发现轧制间回复热处理可使形变组织中部分胞状立方取向组织发生明显回复,增加了再结晶过程中立方晶粒的形核率,同时发现在再结晶过程中,其他取向晶粒的回复及长大行为被“抑制”,这是促使立方取向晶粒在轧制间回复处理制备的样品中具有较快生长优势的原因。另外揭示了轧制中动态回复在Ni9.3W合金基带形变织构演变中的作用,发现动态回复使其变形机制从孪生和剪切变形向交滑移转变,并且提高了基带中40°＜111＞晶界的含量,从而使Ni9.3W合金的形变织构由黄铜型转变为铜型织构。这两方面的研究为深入理解回复对中低层错能合金立方织构形成的影响机制奠定了一定的理论基础。
采用“复合坯锭“法制备了具有成份梯度的NiW合金复合基带,重点研究了复合基带外层立方织构的形成机理和内外层合金织构的关联性。首次发现了双金属合金复合基带结构在外层合金立方织构形成过程中具有的“层间界面效应”,即在复合基带内外层材料界面处存在着立方晶粒优先形核并长大的区域,并对这一效应进行了验证。阐明了复合基带内外层合金织构之间的关联性,发现在再结晶初期,复合基带内外层合金具有独立的再结晶行为,随着再结晶过程的进行,外层合金中立方晶粒开始向内层生长并保持稳定的取向。提出了“层间界面效应”和“吞并生长”是决定NiW合金复合基带中立方织构形成的两个主要因素,这进一步丰富了具有层状梯度的双金属合金功能材料中内外层织构形成及演变的理论。
在复合基带实用化研究方面,首次对基带表面立方织构在高温和应变条件下的稳定性进行了表征。发现高温条件下复合基带内外层材料界面处的“元素扩散”可提高基带外层合金立方织构的稳定性,并增加具有成份梯度的Ni5W/Ni12W/Ni5W复合基带表层W原子的含量,优化了复合基带的磁性能,基于此建立了溶质扩散模型Ⅱ。根据所提出的模型,可以获得表面立方织构含量(＜10°)高达99.6％的Niw合金复合基带,其居里转变温度下降到41K,为一种高性能的新型涂层导体用金属合金基带；其次,在国际上首次采用原位拉伸结合EBSD技术对复合基带表面立方织构在应变条件下的稳定性进行了表征,发现在低应变条件下(＜6％),基带表面的立方织构和小角度晶界均具有极佳的稳定性,可充分满足涂层导体材料在制备和实际应用中的需求:最后一定长度具有良好织构均匀性复合基带的制备有望进一步加速该基带的实用化进程。
综上所述,本论文着眼于目前涂层导体用织构金属基带的研究热点,提出了制备高性能织构金属合金基带的新思路和新技术,并进行了一定的理论研究。首先,设计并建立了两种溶质原子扩散模型,分别可大幅提高Ni9.3w合金基带中立方织构的含量和可获得高性能的新型NiW合金复合基带；其次采用本文提出的轧制间回复热处理技术能够获得高立方织构含量的Ni7W和Ni9.3W合金基带,并揭示了回复处理对立方织构形成的影响机制。另外,对NiW合金复合基带外层材料中立方织构的形成和内外层合金间织构关联性的研究丰富了多元复合梯度材料的形变及再结晶理论；最后论文表征了复合基带表层立方织构在高温和应变条件下的稳定性,表明了这种新型复合基带有望大规模实用化的可行性。