文章编号：1004-0609(2009)11-2024-05
涂层导体用Ni-7%W合金基带的织构分析
祝永华，索红莉，赵 跃，高忙忙，马 麟，高培阔，王建宏，周美玲
(北京工业大学 国家教育部功能材料重点实验室，北京 100124)
摘 要：采用先进的放电等离子烧结技术(SPS)制备Ni7W合金初始坯锭，通过优化高能球磨和烧结工艺以及后续和热处理工艺制备出高度立方织构的Ni7W合金基带。利用电子背散射衍射(EBSD)技术对Ni7W合金基带的晶粒取向、晶界特征等信息进行采集和分析，对其织构进行了表征。该基带无需抛光，即可获得高花样质量的电子背散射衍射图像。EBSD测试结果表明：该Ni7W基带表面10?以内立方织构晶粒质量分数高达99.4%，10?以内晶界长度质量分数为93.6%，具有高质量的立方织构。
关键词：Ni-7%W基带(Ni7W)；立方织构；涂层导体
中图分类号：TM 26 文献标识码：A
Structure analysis of Ni-7%W alloy substrate used for coated conductor
ZHU Yong-hua, SUO Hong-li, ZHAO Yue, GAO Mang-mang, MA Lin, GAO Pei-kuo, WANG Jian-hong, ZHOU Mei-ling
(The Key Laboratory of Advanced Functional Materials, Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijng 100022, China)
Abstract: The cube textured Ni-7%W substrates were prepared by spark plasma sintered (SPS) ingot, followed by rolling-assisted biaxially textured substrate (RABiTS) processing. The grain orientation data and the grain boundaries information of the Ni-7%W(Ni7W) substrate were collected by electron backscatter diffractometry (EBSD). The texture of the Ni7W substrate was analyzed. The high quality of EBSD image is observed on the sample surface after annealing process without polishing. The Ni7W substrate forms a sharp cube texture, and the mass fraction and length fraction of the cube texture grains in the Ni7W substrate reach 99.4% and 93.6%, respectively, within tolerance angle smaller than 10?.
Key words: Ni-7%W substrate (Ni7W); cube texture; coated conductor
第二代涂层导体的实用化研究是超导材料研究和发展的热点，而制备双轴织构的韧性金属基带是获得高性能涂层超导线材的基础。由于Ni-5%W(Ni5W)合金容易形成立方织构，作为第二代涂层导体的基带被广泛的研究[1-4]，目前已经可以工业化生产。但Ni5W基带的机械强度较低、其磁性导致较大的磁滞损耗，仍然不能满足YBCO涂层导体进一步广泛应用的要 求[5-6]。而W含量不小于9.3%(摩尔分数)(Ni9W)的Ni-W合金具有高强度和非磁性。高强度可以降低超导带的成本，而非磁性可以避免交流损耗，因此，制备强立方织构的W含量较高的Ni-W(x(W)＞5%)合金基带将更有利于涂层超导的广泛应用。但由于W含量的增加使这类具有高W含量的Ni-W合金的层错能大大降低，以至于很难在这种高W含量的Ni合金中获得单一取向的强立方织构[7-8]。
近年来制备高性能(包括锐利的立方织构，较高的机械强度和较低的磁性能)高W含量Ni-W合金基带是涂层超导基带研究的趋势和重要研究方向之一。世界上一些研究小组对制备高性能的高W含量Ni-W合金基带进行了相关研究，已经制备较高织构Ni-(7%~9%)W合金基带小样品。GOYAL等[9]通过热轧改变Ni-9.3%W的形变织构成分，使铜型织构含量增加、有害织构含量减少，使得再结晶退火后立方织构的含量高达97%。SAKAMOTO等[10]对初始铸锭先进行一定程度的热挤压，之后进行总变形量约90%的冷轧，退火后得到立方织构较好的Ni7W基带，其(111)面d扫描半高宽?d=7.2?，面内取向集中。ZHOU等[11]通过用高能球磨机控制粉末粒度采用冷等静压的方法制备初始锭子，然后进行优化冷轧和退火工艺得到的基带立方织构含量在90%(10?以内)以上。EICKEMEYER等[12]采用中间退火轧制的办法制备织构为90%的Ni-7.5%W(Ni7.5W)。但这些研究成果都还存在很多问题，如织构强度不足、表面质量和长度都有待提高，离实用化的道路还很远。为了制备高性能的Ni-9.3%W，本文作者先对Ni-7%W合金基带进行了制备研究。
电子背散射衍射(Electron back scatter diffraction，EBSD)技术是20世纪80年代发展起来的，用它可进行材料的微织构、相鉴定和微区应力的分析等[13]。由测量晶体取向可以得到晶体材料包括晶粒尺寸、晶粒形态、晶界特征及晶格错配等一系列信息[14]，而这些是表征织构的重要参数。本文作者首先采用先进的放电等离子烧结(SPS)技术制备初始合金锭，通过优化的冷轧和再结晶退火工艺成功制备锐利立方织构的Ni-7W合金基带。采用EBSD技术，对基带的织构进行表征，研究其立方织构分布、晶界微取向等，并且与德国Dresden IFW制备的Ni7.5W合金基带进行对比。
本文作者采用先进的放电等离子烧结技术(SPS)制备Ni7W合金初始坯锭，通过优化高能球磨和烧结工艺，以及后续的形变、热处理工艺，制备出高度立方织构的Ni7W合金基带，以满足进一步制备过渡层、超导层的要求。
1 实验
将Ni粉(99.9%)和W粉(99.5%)按摩尔比为93?7的比例配料。使用高能球磨混合均匀后放入石墨模具，采用先进的放电等离子烧结技术(SPS)烧结成初始坯锭，随后在Ar(4%H2)气氛中于1 000~1 300 ℃下进行均匀化退火，时间为12~24 h。热处理后的锭子使用IRM精密轧机冷轧到厚度为70 mm，道次变形量小于5%，总变形大于99%。随后，将冷轧基带在Ar(4%H2)气氛中进行再结晶退火处理。退火工艺采用两步退火工艺(TSA)[15]，即在750 ℃保温0.5 h，然后再升温到1 440 ℃保温2 h。
使用配备EBSD附件的扫描电镜系统(Zeiss SUPRA)对大变形量、再结晶退火后的Ni7W基带的表面织构进行表征，对其晶粒晶界特征、晶粒取向分布等信息进行采集和分析。为获得基带退火后表面的微取向信息，在扫描电镜下对该样品上随机选取1 500 mm×1 500 mm大小的区域，选择扫描单元为四边形，步长为5 mm，工作距离为20 mm进行数据采集，定义大于2?的取向差为晶界。
2 结果与讨论
2.1 Ni7W基带的取向分布分析
图1所示为Ni7W基带表面的EBSD微取向晶粒分布。图1中从黑色到灰色标定与标准立方晶粒偏离10?以内的晶粒，超过10?的晶粒以白色标记。当认为偏离10?以内为立方织构的时候，立方晶粒所占的面积达到99.4%，即其立方织构含量为99.4%，表现出非常强的立方取向度。
图1 两步法再结晶退火后Ni7W基带表面的EBSD图
Fig.1 EBSD map of Ni7W substrate after two step annealing
图2所示为基带的立方晶粒分布曲线。即基带晶粒与理想立方织构偏离角度分布，横坐标为偏离角度，纵坐标为对应的晶粒面积。图2中方块代表的曲线是Ni7W基带的立方晶粒分布曲线，其峰值位于2.5?(28.7%)，半高宽为2.80?。图中另一条曲线是德国Dresden IFW 实验室用熔炼锭子制备的Ni7.5W基带的相应曲线(数据来自对购买的IFW Ni7.5W测试结果)，其峰值位于4.5?(14.4%)，半高宽为5.65?，立方织构含量为92.5%[3]。相比较来说，从立方晶粒分布曲线可以得出本实验制备的Ni7W合金基带的立方织构更加集中。
图2 Ni7W和Dresden Ni7.5W的立方晶粒分布曲线
Fig.2 Distribution curves of cube texture grain in Ni7W and dresden Ni7.5W substrate
2.2 Ni7W基带的晶界特征分析
图3(a)所示为Ni7W合金基带不同角度晶界分布图。图中采用不同灰度值和线条粗细分别代表0?~10?晶界，10?~20?晶界和20?以上晶界。图3(b)所示为Ni7W合金基带晶界微取向分布曲线，即不同角度晶界所占比例的定量分布曲线。
图3 Ni7W合金基带不同角度晶界分布图和晶界微取向分布曲线
Fig.3 Map(a) and distribution curve(b) of grain boundaries (GBs) at different misorientation angles in Ni7W alloy substrate
表1所列为Ni7W基带和IFW研究小组报道的Ni7.5W基带[3]中不同角度晶界所占比例。
表1 Ni7W和Dresden Ni7.5W不同角度晶界所占比例
Table 1 Percentage of different misorientation angle GBs in Ni7W and Dresden Ni7.5W substrates
众所周知，晶界角度就是相邻两个晶粒之间的夹角，而晶界角度的大小、大角度晶界的含量对基带的性能有很大影响。虽然两个相邻晶粒与标准立方晶粒偏差都在10?以内，但是可能相邻两个晶粒之间的相对取向差超过10?，甚至达到20?，所以只从立方织构含量判断织构的好坏是不够的。由于基带上要镀制过渡层和超导层，其由下到上各层之间都是外延生长关系，因此，基带的取向会影响过渡层和超导层的取向。大的取向差会导致超导层的弱连接，使得超导层的临界电流密度显著下降，从而严重影响YBCO超导层的超导性能。
从图3(a)和表1可以看出，本工艺制备的Ni7W合金基带在10?以下的小角度晶界占绝大部分(93.6%)，说明该合金带具有良好的晶界性能。
2.3 Ni7W基带的极图和ODF图分析
图4和5所示分别为由EBSD测试数据计算Ni7W的{200}和{111}极图以及ODF取向分布函数图(φ2从0?~90?)。图4极图中背底很干净，几乎没有杂取向。从{111}极图中4个集中的峰可以看出，该基带具有锐利的{100}á001?立方织构。另外，由于立方织构会在ODF的φ2为0?和90?截面图的4个角上呈集中分布，显然从图5中所示的ODF取向分布函数图中的φ2为0?和90?截面图中可以观察到强立方织构的存在，这与从极图得出的结果是一致的。因此，从极图和取向分布函数图(ODF)的角度同样可以看出，该Ni7W基带具有锐利的立方织构。
图4 由EBSD测试数据计算出的Ni7W基带的{200}和{111}极图
Fig.4 {200} and {111} pole figures of Ni7W substrate calculated by EBSD data
图5 由EBSD测试数据计算的Ni7W基带的ODF取向分布函数图
Fig.5 ODF maps of Ni7W substrate calculated by EBSD data
3 结论
1) 通过先进的SPS技术和优化的均匀化退火工艺制备了合金元素分布均匀，晶粒尺寸细小的初始锭子，又通过优化的轧制变形工艺和再结晶退火工艺得到高立方织构的Ni7W合金基带。
2) 通过EBSD测试结果计算出该Ni7W合金基带立方织构含量高达99.4%(10?以内)，小角度晶界长度所占比例为93.6%(10?以内)。表明制备的基带具有高质量的立方织构，可以满足进一步制备过渡层、超导层的要求。
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基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2006CB601005)；国家高技术研究发展计划资助项目(2007AA03Z242)；国家自然科学基金资助项目(50771003)；北京市自然科学基金资助项目(2072004)
收稿日期：2008-12-29；修订日期：2009-06-15
通信作者：索红莉，教授，博士；电话：010-67392947；E-mail: honglisuo@bjut.edu.cn
(编辑 李艳红)
