简介概要

基带厚度对涂层导体立方织构Ni基带组织的影响

来源期刊：稀有金属2005年第6期

论文作者：刘慧舟杨坚屈飞古宏伟

关键词：涂层导体; 立方织构; 基带; 晶界角;

摘要：大变形量加工及随后再结晶热处理制备的立方织构Ni及其合金带材广泛用于YBa2Cu3O7-x(YBCO)涂层导体的基带.基带厚度的减小有利于提高涂层导体的工程电流密度.主要研究基带厚度对其立方织构、晶界角分布以及晶粒尺寸的影响.实验结果表明:随着基带厚度的减小,再结晶基带平均晶粒尺寸先减小后增大,当基带厚度为60μm时,晶粒平均尺寸达到最小值70μm;随基带厚度的减小,再结晶基带立方织构取向越接近其标准位置;晶界角分布随基带厚度变化不大,但所有样品晶界角几乎都小于15°.

稀有金属 2005,(06),814-818 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2005.06.004

基带厚度对涂层导体立方织构Ni基带组织的影响

杨坚古宏伟刘慧舟

北京有色金属研究总院超导材料研究中心,北京有色金属研究总院超导材料研究中心,北京有色金属研究总院超导材料研究中心,北京有色金属研究总院超导材料研究中心北京100088,北京100088,北京100088,北京100088

摘要：

大变形量加工及随后再结晶热处理制备的立方织构Ni及其合金带材广泛用于YBa2Cu3O7-x (YBCO) 涂层导体的基带。基带厚度的减小有利于提高涂层导体的工程电流密度。主要研究基带厚度对其立方织构、晶界角分布以及晶粒尺寸的影响。实验结果表明:随着基带厚度的减小, 再结晶基带平均晶粒尺寸先减小后增大, 当基带厚度为60μm时, 晶粒平均尺寸达到最小值70μm;随基带厚度的减小, 再结晶基带立方织构取向越接近其标准位置;晶界角分布随基带厚度变化不大, 但所有样品晶界角几乎都小于15°。

关键词：

涂层导体;立方织构;基带;晶界角;

中图分类号： TG174.44

收稿日期：2005-02-24

基金：国家科技部“863”计划资助项目 (2002AA306211, 2004AA306130);

Influence of Substrates Thickness on Microstructure of Cube-Texture Ni Substrates for Coated Conductor

Abstract：

Pure Ni and Ni alloy tapes that were prepared by heavy cold deforming and recrystallization process were extensively used as the substrates in coated conductor. By decreasing the substrate thickness, the engineering critical current density will be improved.The influence of the substrate thickness on cube texture, misorientation angle and average grain size was studied.The results show that when substrate thickness is 120～60 μm, with decreasing substrate thickness, average recrystallization grain size decreases.When substrate thickness is less than 60 μm, with decreasing substrate thickness, average recrystallization grain size increases.The minimum size of the average recrystallization grains is 70 μm corresponded to substrate with 60 μm thickness.With decreasing substrate thickness, the cube texture of the tapes with the same recrystallization process is more and more close to the standard position of cube orientation and the distribution of the misorientation angle changes little.The misorientation angle of all samples are almost less than 15°.

Keyword：

coated conductor;cube texturing;substrates;misorientation angle;

Received： 2005-02-24

有3种不同的方法可以提高涂层导体的工程电流密度。一种是增加YBCO (YBa₂Cu₃O_7-x) 涂层的厚度 ^[1,2,3] ; 另一种是提高YBCO涂层的临界电流密度; 第三种是减小金属基带的厚度 ^[4] 。 YBCO涂层的厚度有一个临界值, 超过临界值, 随YBCO厚度增加临界电流密度减小; YBCO临界电流密度并不能无限地提高, 有文献报道 ^[5] , 在单晶上生长的YBCO薄膜平均临界电流密度达到3×10⁶ A·cm^-2; 涂层导体主要由金属基带、隔离层和超导层三部分组成, 其厚度主要是金属基带的厚度, 通过减小基带厚度来提高工程电流密度的空间很大, 所以基带发展的趋势是合金基带Ni-W, Ni-Cr, Ni-V, Ni-Al, Ni-Cu等, 希望通过合金化在不降低金属基带机械强度的同时尽量减小基带的厚度 ^{[4,6,7,8,9,10]} 。 Goyal等 ^[11] 研究了晶粒尺寸和基带宽度对YBCO涂层临界电流密度的影响。随基带宽度方向晶粒数目的减少, 临界电流密度降低, 但当宽度方向晶粒数目大于100时, 临界电流密度随基带宽度方向晶粒数目减小变化不大。对于10 mm宽的涂层导体基带, 要使基带晶粒尺寸对临界电流密度没有影响, 基带晶粒尺寸必须小于100 μm。另外, 随金属基带厚度的减小, 基带机械强度有所降低, 影响基带的实际使用。所以在研究基带厚度对涂层导体临界电流影响的同时也要兼顾基带的机械强度。本文主要研究基带厚度对其立方织构、晶界角分布以及晶粒尺寸的影响。

1 实验

99.999%的高纯镍经熔炼、热锻、热轧以及随后的冷轧制备出厚度为120 μm的基带, 用电化学抛光方法将其抛光、减薄。抛光选用的溶液是磷酸、甘油和少量的添加剂, 电流密度为0.30～0.35 A·cm^-2。抛光后基带的厚度分别为100, 80, 50, 40和20 μm。抛光后的基带在1000 ℃再结晶1 h。用LEO-1450扫描电镜观测基带晶粒的大小, 用其EBSD系统观测基带的立方织构分布、晶界微取向角分布。

2 结果与讨论

2.1 实验结果

图1示出了不同厚度基带再结晶后的SEM结果。从图1可以看出, 随着基带厚度的减小, 再结晶晶粒平均尺寸先减小后增大。通过对图1结果的统计分析给出了再结晶晶粒平均尺寸随基带厚度的变化曲线 (图2) 。基带厚度大于60 μm时, 平均晶粒尺寸随基带厚度的减小而减小; 基带厚度减小到60 μm时, 再结晶晶粒平均尺寸达到最小值70 μm; 基带厚度小于60 μm时, 平均晶粒尺寸随基带厚度的减小而增大。

图1 不同厚度基带再结晶组织扫描照片

Fig.1 SEM morphology of substrate with 120 μm

(a) 基带厚度120 μm; (b) 基带厚度 100 μm; (c) 基带厚度 80 μm; (d) 基带厚度 50 μm; (e) 基带厚度 40 μm; (f) 基带厚度 20 μm

(a) , 100 μm (b) , 80 μm (c) , 50 μm (d) , 40 μm (e) and 20 μm (f)

图2 基带厚度与再结晶晶粒尺寸关系

Fig.2 Curves of substrate thickness vs recrystallization grain size

图3为不同厚度基带再结晶晶粒取向分布及晶界特性分布, 晶粒颜色越深表示该晶粒偏离立方取向标准位置越小 (实验采用最大偏离为15°) , 晶界颜色的不同反映了晶界角大小的不同。由图3可知, 随基带厚度的减小, 立方织构取向越接近其标准位置 (晶粒颜色越深) , 立方织构占有率都在98%左右。

图4为不同厚度基带再结晶晶界微取向角分布 (因为在定义晶界时, 最小晶界角定义为2°, 所以在晶界微取向角分布中选用的最小角度为2°) 。由图4可知, 晶界微取向角分布随基带厚度变化规律性不是很明显, 但晶界角以小角度晶界为主, 其小角度晶界占有率 (小于15°的阴影面积除以总的阴影面积) 都大于95%。

2.2 分析与讨论

再结晶是一个涉及大角度晶界迁移、消除变形结构的过程 ^[12] 。变形组织中主要以位错形式保留的储存能是初次再结晶的驱动力P_d。 P_d与变形组织中的位错密度有如下关系:

P_d≈ρμb² ^[12] (1)

式中b为柏氏矢量, μ为拉梅系数。根据 (1) 式估算高变形状态金属的再结晶驱动力P_d≈10 MPa。初次再结晶完成之后, 是再结晶晶粒长大过程, 其驱动力来源于体积能和面积能。体积能来源于初次再结晶形成的新晶粒内部残留的一部分应变能 ^[12] 。晶粒之间这种残留应变能的差异使晶界倾向于向着残留应变能高的晶粒一侧移动而使界面另一侧的低能晶粒长大。

图3 不同厚度基带再结晶晶粒取向分布

Fig.3 Orientation mapping of substrate with 120 μm

(a) 基带厚度120 μm; (b) 基带厚度 100 μm; (c) 基带厚度 80 μm; (d) 基带厚度 50 μm; (e) 基带厚度 40 μm; (f) 基带厚度 20 μm

(a) , 100 μm (b) , 80 μm (c) , 50 μm (d) , 40 μm (e) and 20 μm (f)

图4 不同厚度基带再结晶晶界微取向角分布 (a) 基带厚度120 μm;

Fig.4 Distribution of misorientation angle of substrate with 120 μm

(b) 基带厚度 100 μm; (c) 基带厚度 80 μm; (d) 基带厚度 50 μm; (e) 基带厚度 40 μm; (f) 基带厚度 20 μm

(a) , 100 μm (b) , 80 μm (c) , 50 μm (d) , 40 μm (e) and 20 μm (f)

面积能包括晶界能和表面能。在三维试样中, 晶界能是最重要的晶粒长大驱动力。晶粒长大过程中, 晶粒平均尺寸的增大对应着总的晶界面积的下降, 从而使系统自由能降低, 它为晶粒长大提供驱动力。由于晶粒越小则单位体积内的界面自由能越高, 所以在主要由界面能提供驱动力的晶粒长大过程中, 大晶粒倾向于长大而小晶粒趋向于缩小并最终消失。表面能与暴露在表面的晶粒的晶面指数有关。不同取向的晶粒暴露于表面的晶面不同, 由此造成了晶粒之间的表面能差 ^[12] 。在晶粒长大过程中由于表面能差异, 晶界趋向于朝着表面能较高的晶粒一侧移动。

当平均晶粒尺寸接近或达到基带厚度时, 几乎每颗晶粒都暴露于基带表面, 此时在试样表面处将存在晶界能与表面能的平衡。这种平衡阻碍了晶粒的长大。一方面晶界在与表面相连处将趋于平直化, 从而整个晶粒在垂直于基带表面方向上的曲率半径趋于无穷大 ^[12] 。晶界移动驱动力P与晶界曲率半径有如下关系:

P=γ(1ρ1+1ρ2)[12]???(2)

式中λ为单位面积晶界自由能, ρ₁和ρ₂为晶界的两个主曲率半径。根据 (2) 式可知随晶界曲率半径增大, 晶界移动的驱动力减小; 另一方面, 晶界暴露于表面处由于晶粒之间的界面张力与试样表面张力的平衡将形成表面蚀沟, 这些蚀沟总是与晶界的瞬间位置相连, 当晶界移动时他们将随晶界在基带表面移动, 从而阻碍了晶界的运动 ^[12] 。这两方面都阻碍了暴露于基带表面晶粒的长大, 根据分析 ^[12] , 基带厚度d与平均晶粒尺寸 R???lim 的关系:

R???lim=3γs10γbd[12]???(3)

式中γ_s和γ_b分别是基带的表面能和界面能, d是基带厚度。对纯金属来说, γ_s一般是γ_b的2～3倍, 这与实验中观察到的现象相符: 在基带厚度大于60 μm时, 晶粒随基带厚度的减小而减小, 且平均晶粒尺寸近似等于基带厚度。

随着基带厚度的进一步减小, 在晶粒长大过程中, 表面能的作用将远远大于晶界能, 表面能成为晶粒长大的主要因素。面心立方金属中{111}以及{100}面的能量最小。再结晶过程中基带形成强烈的立方织构, 基带的表面是 (100) 面。偏离 (100) 面越大 (图2中晶粒的颜色越浅) , 表面的能量越大。在表面能为主要驱动力的晶粒长大过程中, 这些晶粒将被表面接近 (100) 面的晶粒吞吃。从而解释了当基带厚度小于60 μm时, 随基带厚度的减小, 深颜色的晶粒增多 (颜色越深表明该晶粒越接近立方趋向的标准位置) 且晶粒尺寸明显大于基带厚度3～4倍。

3 结论

随基带厚度的减小, 平均晶粒尺寸先减小后增大。基带厚度大于60 μm时, 晶粒长大的驱动力是由界面能减小提供的, 随基带厚度的减小晶粒尺寸减小; 当基带厚度60 μm时, 平均晶粒尺寸达到最小值70 μm。基带厚度小于60 μm时, 晶粒长大的驱动力主要由表面能的减小提供, 随基带厚度的减小, 立方织构越接近立方取向的标准位置 (晶粒颜色越深) , 晶粒尺寸增大。立方织构含量以及晶界微取向角随基带厚度的减小变化不明显。