不同軋制方式對(duì)鈮箔微觀組織和織構(gòu)的影響

黃元春，謝成，唐建國(guó)，鄧運(yùn)來

(1. 中南大學(xué) 輕合金研究院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

鈮是稀有高熔點(diǎn)難熔金屬，由于其具有優(yōu)異的性能，金屬鈮成為在電子工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、原子能工業(yè)、航空航天、薄膜技術(shù)和超導(dǎo)技術(shù)等現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用的高科技材料[1-4]。近年來，金屬鈮作為一種電極材料和表面工程材料(BM)，被廣泛應(yīng)用于船舶、化工、液晶顯示器以及耐熱耐腐蝕高導(dǎo)電等鍍膜工業(yè)中。特別是因?yàn)殁壓外壍幕衔锞哂懈邔?dǎo)電性、高熱穩(wěn)定性和對(duì)外來原子的阻擋作用，在工件和集成電路表面上使用濺射法鍍上鈮層，可以防止腐蝕和銅向基體硅中擴(kuò)散。王國(guó)棟等[5-6]研究了軋制和熱處理工藝對(duì)鈮材組織及晶粒度和鈮帶深沖性能的影響?，F(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展對(duì)濺射用鈮材提出了更高的技術(shù)要求，主要體現(xiàn)在鈮靶材的化學(xué)純度、晶粒度、織構(gòu)和均一性等方面[7]。本文作者將純鈮板經(jīng) 4種不同軋制方式后在1 050 ℃最終退火1 h，研究鈮箔的顯微組織和織構(gòu)的演變規(guī)律，對(duì)鈮箔的變形及再結(jié)晶行為進(jìn)行探討，以便為鈮材的工業(yè)化生產(chǎn)和在電子工業(yè)等領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用提供必要的技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)

本研究實(shí)驗(yàn)材料來源于國(guó)內(nèi)某大型鈮材生產(chǎn)廠商。經(jīng)多次電子束熔煉(EBM)的純鈮錠經(jīng)開坯后軋制成厚度為5 mm的鈮板。將實(shí)驗(yàn)材料分別編號(hào)為1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)和4號(hào)。對(duì)1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)和4號(hào)樣品分別進(jìn)行順軋、斜軋、交叉軋制和橫向軋制。即所有樣品先軋制到0.95 mm，其中1號(hào)和3號(hào)鈮板軋制方向與5 mm厚鈮板的軋制方向相同，2號(hào)的軋制方向與原5 mm鈮板成45°夾角，4號(hào)的軋制方向與原方向垂直，隨后進(jìn)行中間熱處理，最后將3號(hào)鈮板軋制方向旋轉(zhuǎn) 90°，其他樣品不改變軋制方向軋制到厚度 0.08 mm(如圖1所示)。4個(gè)樣品軋制的總變形量均為98.4%。

冷軋后對(duì)4種不同軋制的鈮箔試樣進(jìn)行真空退火處理。真空退火制度為：在0～500 ℃以10 ℃/min升溫，在500～1 050 ℃以5 ℃/min升溫；退火溫度為1 050℃，保溫時(shí)間為1 h，自然冷卻，于60 ℃以下出爐。

對(duì)冷軋和真空再結(jié)晶退火后的試樣分別進(jìn)行微觀組織和織構(gòu)分析。利用 XJP-6A型金相顯微鏡觀察試樣的光學(xué)顯微組織(OM)，金相試樣采用電解拋光法和電解腐蝕法進(jìn)行制樣，電解拋光時(shí)間為 8 min，電解腐蝕時(shí)間為50 s，所用電解拋光液和電解腐蝕液均是乳酸、濃硫酸、氫氟酸體積比為 3:2:1的混合試劑。鈮箔樣品的織構(gòu)測(cè)試分析采用Brucker D8 Discover測(cè)量{110}，{200}，{211}和{113} 4個(gè)不完全極圖，運(yùn)用球諧函數(shù)級(jí)數(shù)展開求出 l=34 時(shí)的取向分布函數(shù)(ODF)的C-系數(shù)(包括奇數(shù)項(xiàng)和偶數(shù)項(xiàng))[8]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 軋制方式對(duì)顯微組織的影響

采用不同方式的大變形量軋制變形，可以充分改變坯料組織，細(xì)化晶粒，使其沿材料厚度方向分布趨于均勻，并且塑性變形也會(huì)深入到材料芯部，從而明顯地改變材料的組織和性能。對(duì)于金屬鈮板，大變形量冷軋將直接影響變形后板坯的微觀組織和性能。

圖1 軋制流程示意圖Fig.1 Schematic view of rolling processes

圖2所示為5 mm原始鈮板表面的光學(xué)金相照片，從圖2可以看出：鈮板的晶粒粗大。圖3所示為5 mm厚的鈮板經(jīng)總變量為 98.4%的大變形，多道次冷軋至厚度為0.08 mm的板坯微觀組織。從圖3可以看出：經(jīng)過 98.4%的變形量后，鈮板坯沿軋制方向都形成了纖維組織。圖 3(a)所示為晶粒沿順軋軋制變形方向被拉長(zhǎng)壓扁細(xì)化，纖維組織明顯。對(duì)于斜軋(圖 3(b))和交叉軋制(圖3(c))，晶粒之間發(fā)生相互擠壓。

圖2 5 mm鈮板光學(xué)金相照片F(xiàn)ig.2 Optical micrograph of 5 mm Nb sheet

2.2 軋制對(duì)織構(gòu)的影響

金屬材料發(fā)生塑性變形的過程中，采用不同的加工方式可以獲得不同類型的加工態(tài)組織結(jié)構(gòu)，同時(shí)將直接影響變形及熱處理后材料的織構(gòu)類型和組分。立方金屬各晶粒的取向總是傾向于聚集在取向空間內(nèi)不同的穩(wěn)定的取向線附近。對(duì)于鈮、鉭和鋼鐵等體心立方金屬，常見的取向線有α線、γ線和η線等[9]，它們對(duì)金屬的各種性能的各向異性有很大的影響。Vandermeer等[10]的研究表明：當(dāng)鈮材軋制且道次壓下量超過40%時(shí)，表面織構(gòu)參數(shù)將接近1，此時(shí)在φ=0°處將出現(xiàn)峰值，即出現(xiàn)高取向密度的{001}<110>織構(gòu)。

圖3 冷軋后鈮箔的光學(xué)金相照片F(xiàn)ig.3 Optical micrographs of Nb foils after cold rolling

圖4 變形態(tài)鈮箔的取向分布函數(shù)圖φ2=45°截面Fig.4 φ2=45° section of ODFs of deformed Nb foils

圖 4所示為變形態(tài)鈮箔取向分布函數(shù)(ODF)圖的φ2=45°截面。從圖4可以看出：取向密度最大的都是{011}<110>織構(gòu)，其中交叉軋制變形方式(3號(hào))的織構(gòu)組態(tài)明顯不同于其他軋制方式。圖5所示為0.08 mm的4種變形態(tài)鈮箔的取向線圖。從圖5可以看出：經(jīng)4種不同的軋制變形后，都可以得到高取向密度的{001}<110>織構(gòu)，其中又以交叉軋制(3號(hào))所形成的取向密度最高。沿α取向線在φ=55°附近{111}<110>織構(gòu)強(qiáng)度趨于一致，即4種不同軋制方式變形不能強(qiáng)化形變織構(gòu){111}<110>。沿γ取向線上4種變形態(tài)鈮箔在φ1=60°附近形成1個(gè)明顯的尖峰，這與其他一些變形態(tài)的體心立方金屬(如鉭[11]、鐵[12]等)有明顯區(qū)別。其中鈮板經(jīng)斜軋(2號(hào))后，其在圖5中各條曲線走勢(shì)比較平緩，即斜軋后各種織構(gòu)沿取向線的分布較其他 3種變形方式要均勻些，經(jīng)過交叉軋制后(3號(hào))相對(duì)于其他3種軋制方式易得到較強(qiáng)的{001}<110>旋轉(zhuǎn)立方取向和{001}<100>立方取向織構(gòu)，順軋(1號(hào))和橫軋(4號(hào))次之，斜軋(2號(hào))最弱。

2.3 熱處理對(duì)鈮箔微觀組織的影響

板帶材的軋制過程中消除應(yīng)力退火和最終退火的制度對(duì)軋制產(chǎn)品的最終組織和性能都有較大的影響。鈮材的再結(jié)晶退火規(guī)范一般為在真空狀態(tài)下隨爐升溫到 1 050～1 150 ℃，保溫 1～2 h[13]。本文選擇在 1 050 ℃下對(duì)不同軋制方式的鈮箔退火1 h作為最終退火制度，并制定了其他相應(yīng)的中間退火制度。

圖6所示為退火后鈮箔的微觀組織。由圖6(a)可以看出：經(jīng)順軋變形后的鈮箔經(jīng)1 050 ℃退火后，鈮箔發(fā)生再結(jié)晶，形成均勻的細(xì)小等軸晶粒，變形組織已基本消失，晶粒較其他幾種軋制方式細(xì)小均勻，平均晶粒粒徑約為40 μm，此時(shí)已發(fā)生連續(xù)再結(jié)晶。從圖6(b)可以看出：經(jīng)1 050 ℃退火后，連續(xù)多道次45°斜向軋制后的晶粒發(fā)生了異常長(zhǎng)大，可清晰觀察到小晶粒被其他晶粒吞噬，說明此時(shí)發(fā)生了二次再結(jié)晶。由圖 6(c)可以看出：經(jīng)交叉軋制的鈮箔在退火后變形組織已消失，并且發(fā)生了明顯的晶粒長(zhǎng)大，說明經(jīng)1 050 ℃/1 h退火處理后交叉軋制變形方式的鈮箔已發(fā)生非連續(xù)再結(jié)晶，晶粒的平均粒徑約為57 μm，較順軋方式粗大。從圖6(d)可以看出：橫軋后的鈮箔經(jīng)退火后出現(xiàn)了細(xì)小的等軸晶粒(核)，不連續(xù)再結(jié)晶已經(jīng)開始。

圖5 變形態(tài)鈮箔的取向線分析Fig.5 Orientation fibers of deformed Nb foils

圖6 退火后鈮箔的光學(xué)金相照片F(xiàn)ig.6 Optical micrographs of Nb foils after annealing

2.4 熱處理對(duì)織構(gòu)的影響

對(duì)于體心立方金屬，{111}織構(gòu)是增強(qiáng)材料深沖性能的極為有利的織構(gòu)[14]。Clark等[15]研究橫軋對(duì)純鉭的微觀組織和織構(gòu)演變時(shí)發(fā)現(xiàn)，交叉軋制可以強(qiáng)化再結(jié)晶織構(gòu){111}，有利于提高材料的深沖性能，同時(shí)降低{100}<0vw>取向的強(qiáng)度。

圖 7所示為退火后鈮箔取向分布函數(shù)(ODF)圖的φ2=45°截面。從圖 7可以看出：從{111}<110>到{111}<112>的γ取向線上有明顯的取向聚集現(xiàn)象。圖8所示為0.08 mm的鈮箔經(jīng)最終退火后的取向線圖。從取向線圖可更清晰地分析不同軋制方式后經(jīng)1 050 ℃/1 h真空退火后鈮箔再結(jié)晶織構(gòu)組分的差異。不同軋制方式的鈮箔經(jīng)真空退火后，α取向線上的密度明顯減弱。γ取向線上，取向{111}<110>的密度有所下降，取向{111}<112>的密度除斜軋(2號(hào))下降外，其他3種變形方式有所上升，其中尤其以交叉軋制變形方式(3號(hào))最明顯，同時(shí)，交叉軋制方式的再結(jié)晶過渡型織構(gòu){111}<146>附近的取向密度有明顯上升，而其他3種變形方式基本不變。η取向線上，交叉軋制方式變形(3號(hào))退火處理后{001}<100>立方織構(gòu)得到弱化，其他3種變形方式則有強(qiáng)化效果。由此可知：交叉軋制方式(3號(hào))能有效增強(qiáng){111}織構(gòu)，提高鈮材的深沖性能，同時(shí)弱化{001}<100>立方織構(gòu)。

圖7 退火后鈮箔的取向分布函數(shù)圖φ2=45°截面Fig.7 φ2=45° section of ODFs of Nb foils after annealing

圖8 退火后鈮箔的取向線分析Fig.8 Orientation fibers of Nb foils after annealing

3 結(jié)論

(1) 經(jīng)1 050 ℃/1 h退火后，對(duì)于順軋變形方式的鈮箔晶粒較其他3種軋制方式的晶粒細(xì)小均勻，晶粒的平均尺寸約為40 μm；交叉軋制方式變形的鈮箔已發(fā)生非連續(xù)再結(jié)晶。

(2) 交叉軋制變形方式能形成較強(qiáng)的{001}<110>變形織構(gòu)，經(jīng)退火處理后能強(qiáng)化再結(jié)晶織構(gòu){111}，有利于提高鈮板帶材的深沖性能，同時(shí)減少{001}<100>立方織構(gòu)，其他 3種軋制方式對(duì){001}<100>織構(gòu)具有強(qiáng)化作用。4種不同軋制方式變形不能強(qiáng)化{111}<110>形變織構(gòu)。

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