一种自约束扩散连接镍钨合金复合基带坯锭及其制备方法

本发明属于高温涂层超导体用金属基带坯锭制备，具体涉及一种自约束扩散连接镍钨合金复合基带坯锭及其制备方法。

背景技术：

1、高温超导材料具有较高的临界温度，在液态氮的环境下可以产生超导现象，降低了在电力交通、能源信息、军事和磁体技术设备运行成本，应用前景广阔。钇钡铜氧(ybco)作为最具有潜力的第二代高温超导带材备受关注，为了解决在工程应用中脆性大的缺点，橡树岭国家实验室开发了一种滚动辅助双轴织构基带(rabits)方法制备高温超导带材，金属基带表面具有的立方织构可作为超导材料外延生长的模板，并提供机械强度。rabits法设备简单，生产成本低，效率高，相比于其他制备方法，适合产业化制备长金属带材。大变形再结晶工艺处理后的金属镍表面具有高强度的立方织构，然而其铁磁性及强度不足的短板阻碍了它的进一步发展。合金化可以显著降低镍基带的铁磁性，提高力学性能。w、cr、v、mo、cu等元素可在不同程度上改善了镍基带的性能。其中，w通过固溶强化、晶粒细化机制不仅提高了镍合金的强度，还有效降低金属基带的磁导率，因此受到了广泛关注。镍钨合金基板按照w的含量分为低钨合金和高钨合金，w原子百分比小于等于5％的为低钨合金，大于5％的为高钨合金。低钨合金的层错能较高，易形成较强的双轴立方织构，ni5w(5at.％)已被用于制备ybco涂层导体。然而，其铁磁性和低强度阻碍了将ybco扩展到更广泛的应用。镍钨合金的堆垛层错能(sfe)随着w含量的增加而逐渐降低，虽然会导致再结晶退火后立方织构减少，但可以显著提高合金的力学性能，减小磁性。

2、镍钨基带强度、磁性和织构度之间的矛盾说明单一组分不能满足需求，发展高强度、低磁性以及表面具有锐利立方织构的复合材料成为亟待解决的问题。如图1所示，高钨合金处于中间，低钨合金位于板材上下两侧。常见的复合材料的制备方法有将复合坯锭热锻热轧变形后退火的连接方式、由炸药爆炸提供的能量将两块金属熔接的爆炸焊接、将熔化的金属液倾倒在金属板上的连续固液结合法等。suo(ieee transactions on appliedsuperconductivity,17(2),3420-3423.)先将ni5w和ni9w锭轧制至2.5毫米厚度，按顺序将ni5w/cu/ag/cu/ni9w/cu/ag/cu/ni5w叠放压在一起，然后在850℃的氩气中烧结4小时，在ni5w和ni9w之间嵌入的ag和cu薄层作为结合层，以形成化学界面连接。wu(adv.eng.mater.,22:2000735.)将按比例球磨后的ni-w粉末按ni8w/ni12w/ni8w的结构装入石墨模具中，用火花等离子烧结(sps)后再均匀化退火获得金属坯锭。cui(j.mater.res.34,3141–3150(2019))采用了一种固体液体包覆方法，通过真空感应熔炼制备ni9.3w合金热锻成长方体垂直置于石墨基体中，周围留出相同大小的空腔，将ni5w熔体倾倒在空腔中，冷却后获得ni5w-ni9.3w-ni5w复合铸锭。镍钨复合铸锭界面处的良好结合是保证轧制进行的关键因素。复合材料在轧制过程中不同层的变形不均匀导致基带受力不均匀，易出现开裂现象。因此，增强坯锭界面处的连接强度具有重要意义。

3、综上所述，低w-niw合金经过多道次轧制变形再结晶后可在表面形成易于第二代高温涂层超导体生长的立方织构，但力学性能较差且具有较强的磁性限制了广泛地应用；高w-niw合金可以满足力学性能和磁性的需求，然而较高w含量的引入降低了合金的层错能，影响表面立方织构的形成。单一组分的niw合金已无法满足涂层超导体用金属基带的综合性能需求。为了解决这一问题，开发niw复合基带坯锭的制备工艺具有重要的意义。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是对镍钨合金复合坯锭在轧制过程中界面处的弱连接导致的开裂情况，提出一种结构自约束施加应力使界面获得良好接触和塑性变形，诱导界面再结晶促进原子扩散以获得冶金结合的镍钨复合材料的方法。镍钨复合锭的外层为易于形成锐利立方织构的低钨合金，芯部为提供强度和降低整体磁性的高钨合金。w元素的增加可以提高材料的强度，外层的低钨合金比芯部的更易变形，强度的差异会导致后续轧制过程中界面易受到复杂应力的作用而开裂。将尺寸差大于临界变形量的高钨合金插入管套中，使界面处的低钨合金发生大变形，以便在后续的扩散退火热处理实现界面的冶金结合。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种自约束扩散连接镍钨合金复合基带坯锭的制备方法，所述的制备方法为将尺寸过盈的高钨合金棒材压入空心的低钨合金管材，管状结构约束位移，使接触界面相互挤压产生塑性形变。除结构自约束提供扩散连接所需的应力，合金界面处的形变量大于临界变形量，在高温下发生再结晶加速原子的扩散，更易于高、低钨合金间的界面连接，实现冶金结合，能够显著降低冷轧镍钨合金复合基带发生的开裂现象的概率。具体包括以下步骤：

4、s1熔炼高钨合金坯锭和低钨合金坯锭；

5、分别熔炼低钨合金和高钨合金，将高钨合金加工成一系列尺寸不同的一端倒角的实心棒材，得到高钨合金坯锭；将低钨合金加工为一系列尺寸不同的内孔一端倒角的空心管材，得到低钨合金坯锭。所述实心棒材与空心管材的加工数量相同，尺寸匹配，且高钨合金的外径略大于低钨合金的内径；高钨合金、低钨合金加工的倒角用于实现用于二者复合加工。

6、进一步的，所述的低钨合金的内径为lmm，则高钨合金的外径为1.02～1.04lmm。

7、s2对高钨合金坯锭、低钨合金坯锭的合金表面进行处理；

8、通过机械、化学、激光等方式，处理高钨合金坯锭的沿轴向外侧面及低钨合金坯锭的孔内表面，获得光滑表面。

9、s3组装镍钨合金复合坯锭；

10、施加10-15kn的压力将一系列尺寸不同的高钨合金实心棒材分别插入内径相同的低钨合金空心管材中，压入的速率为0.3-0.6mm/min。高钨合金实心棒材插入过程中，对低钨合金空心管材的孔径内侧施加压力和剪切应力，使实心棒材外表面与空心管材内表面界面处的低钨合金发生形变，得到复合金属棒材。

11、s4镍钨合金复合棒材再结晶退火；

12、将s3组装后的复合金属棒材在真空或ar-4％h2混合气体保护下进行扩散退火处理，在1000-1400℃下退火12-48h，使得高钨合金的沿轴向侧面和低钨合金孔内表面的界面充分发生退火再结晶。

13、s5观察再结晶退火后镍钨合金界面处的扫描电镜和能谱面扫图像，在扫面电镜图像中界面处无空隙且能谱面扫图像显示元素发生扩散，得到自约束扩散连接镍钨合金复合基带坯锭。

14、进一步的，所述的步骤s1中提及的低钨合金的w含量包括3-5at.％，其余为镍。高钨合金的w含量包括7-11at.％，其余为镍。

15、进一步的，所述的步骤s1中提及的高钨合金棒材和低钨合金空心管包括铸造成型、热锻成型、钻孔、车削等方式获得的圆棒、长方体棒材、空心棒状管材、空心长方体管材。

16、一种自约束扩散连接镍钨合金复合基带坯锭，采用上述方法制备得到，所述的镍钨合金复合基带坯锭沿径向从外向内为三层夹心结构，最外层为低钨合金，中间层为过渡层，最内层为高钨合金。层与层之间通过自约束产生的塑性变形在热活化过程中驱动再结晶及促进元素扩散形成冶金结合，有效降低复合坯锭轧制过程中开裂的概率，是一种实现具有锐利立方织构表面、高强度、低磁性超长金属基带坯锭的制备方式。此外，本发明可通过匹配不同成分和形状尺寸的镍钨合金棒材可灵活实现调控复合基带表面织构含量、磁性和强度。

17、本发明的效果和益处：

18、(1)本发明提供了一种自约束扩散连接低钨合金和高钨合金获得镍钨合金复合坯锭的方法，由于管材的圆环结构，在棒材压入的过程中，约束圆管发生位移，使高钨合金和低钨合金的界面产生的塑性变形，在热活化过程中驱动再结晶及促进元素扩散，能够实现含钨量不同的金属层之间的冶金结合，降低轧制开裂的概率，为后续的冷变形提供可靠的支持。

19、(2)本发明提供了超导带材所需的金属基带坯锭，外层是易形成强双轴织构的低钨合金，芯层是提供高强度和低磁性的高钨合金，可设计组分及含量以灵活调整所需的立方织构含量、基带强度及磁导率。

20、(3)本发明提供了一种工艺简单，设备成本低廉的制备镍钨合金复合坯锭的方式。