CN116288091A

CN116288091A - 一种低温制备超细晶粒钽片的退火工艺

Info

Publication number: CN116288091A
Application number: CN202310309895.6A
Authority: CN
Inventors: 谭敦强; 熊伟龙
Original assignee: Nanchang University
Current assignee: Nanchang University
Priority date: 2023-03-28
Filing date: 2023-03-28
Publication date: 2023-06-23

Abstract

本发明公开一种低温制备超细晶粒钽片的退火工艺，涉及在高应变量钽板的基础上进行的一种退火温度的工艺。具体为：对经二次电子束熔炼获得的钽锭进行多向锻造，累积应变量达到9.0以上，先在600～950℃恒温退火50～80min进行轧制变形80％～85％，然后在500～600℃恒温退火50～80min再进行轧制变形90％～93％，将钽片置于管式炉中在450～550℃、350～450℃、900～1000℃依次进行保温热处理，最后冷却取出。本发明在对钽锭进行塑形变形后进行了500～600℃保温50～80min的退火工艺，此保温温度远低于钽的再结晶温度，消除了钽因塑性变形产生的高变形抗力的同时，增加了再结晶的微观动力，且能有效削弱钽晶粒的择优取向优势，使得在相同的应变量的基础上，对成品钽片退火后，其晶粒尺寸更细小、晶面取向更均匀，极大的提升了钽片的硬度和可塑性。

Description

一种低温制备超细晶粒钽片的退火工艺

技术领域

本发明涉及热处理技术领域，具体讲的是一种制备超细晶粒钽片的退火工艺。

背景技术

钽(Ta)是一种典型的过渡族难熔金属，为体心立方晶体结构(Body CenteredCubic，BCC)。钽金属具有较高的熔点(2996℃)与密度(16.6g/cm3)，极高的抗腐蚀能力及优异的延展能力。基于以上独特的物理及化学性质，钽及其合金在电子、军工、医疗器械、航空航天等领城得到了较为应泛的应用和深入的发展，涉及到的具体应用包括电容器、溅射靶材、破甲弹材料、骨骼修复材料、高温合金及耐腐蚀应用装置等。其中电子工业用品的消耗最大，占到了60％以上。同时，高级装备制造工业发展趋势也在往密集型、微型化发展，这就直接导致各类电子元器件也趋向于微型化制造趋势，因此，提升钽的力学性能成为一个迫切需要研究的方向。

钽电容器是一种重要的电子元器件，具有体积小、储能高、性能稳定等特点，被广泛应用在移动通讯设备、航空航天、各类仪器仪表等领域。尤其是飞行器系统领域的应用，可谓是量大面广。而此主要源于钽电容的三大特点：1、储能多，通常是多个钽电容并联使用；2、滤波作用，钽电容可以有效的滤除电源的文波等；3、耦合作用，即交流信号的耦合和隔直。但是钽电容的工作环境通常比较恶劣，高频振动产生的变形和应力集中将对钽电容工作的稳定性产生很大的影响，严重威胁到设备的使用安全与使用寿命。因此提升高纯钽片的力学性能成为了关键所在。而提升这一性能的主要方式就是通过得到细小且均匀晶粒的钽片。

制备高纯钽片常用的方式为粉末冶金与电子束熔炼的方式制备高纯钽锭坯料，再对坯料进行锻造和轧制等一系列的塑性加工与退火工艺结合，制成钽片。然而一般通过电子束熔炼获得的钽锭的晶粒尺寸都为厘米级，所以需要采用大变形量来破坏晶界。然而大的变形量会使得钽的变形抗力骤增，容易萌生裂纹，导致内部产生缺陷；温变形和热变形的加工成本高，操作工艺复杂，不容易实现。目前，市场上使用的钽片的平均晶粒尺寸在25～100μm之间，在细化晶粒尺寸的研究上难有突破性的进展。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种高纯钽片的热处理工艺，在相同的变形量的情况下，能有效的减小平均晶粒尺寸，且相对于传统的退火方式有着高效的产品生产速率，适用于推广。

本发明的技术解决方案如下：

一种低温制备超细晶粒钽片的退火工艺，包括如下步骤：

步骤1、将进行锻造后的钽片置于热处理炉中，将其加热至600～950℃，恒温处理50～80min；

步骤2、将步骤1中的热处理后的钽片随炉冷却至室温取出；

步骤3、将步骤2中的钽片进行轧制处理，轧制的变形量为80％～85％；

步骤4、将步骤3中的钽片置于热处理炉中，将其加热至500～600℃，恒温处理50～80min；

步骤5、将步骤4中的钽片进行轧制变形，轧制的变形量为90％～93％；

步骤6、将步骤5中的钽片置于热处理炉中，将其加热至450～550℃，对钽片进行恒温加热50min；

步骤7、将步骤6中的热处理温度降低100～200℃，继续对钽片进行恒温加热50～80min；

步骤8、将步骤7中的热处理温度提高至900～1000℃，继续对钽片进行恒温加热50～90min；

步骤9、将步骤7中的热处理的钽片随炉冷却至室温取出。

作为优选方案，所述步骤1中，钽片的纯度不小于99.9％。

作为优选方案，所述步骤1前的塑性变形处理包括对电子束熔炼态钽锭进行多次锻造，每次锻造后均进行退火，锻造过程发生的等效应变总和为9.0～10.8。

作为优选方案，所述步骤3中，对锻造后的钽锭进行的轧制处理，轧制的应变量应控制在1.6。

作为优选方案，所述步骤1～9中，对高纯钽板进行的热处理过程均在氩气气氛保护条件下进行，热处理炉的升温速率为10℃/min。

作为优选方案，所述步骤4中，恒温热处理温度为600℃；

作为优选方案，所述步骤4中，恒温热处理温度为450～550℃；所述步骤5中，恒温热处理温度为350～450℃；所述步骤6中，恒温热处理温度为900～1000℃。

采用上述低温制备超细晶粒钽片的退火工艺，所得钽片的平均晶粒尺寸在14～26μm之间。

本发明至少具有以下有益效果之一：本发明提出一种高纯钽片的低温退火工艺，在降低退火温度节约能耗与时间成本的同时，能够降低钽片经过塑性加工产生的变形抗力，使得后续的加工钽片不会因为变形抗力过大产生应力集中而发生开裂，且中间退火工艺对最终制得钽片还有明显的细化晶粒的作用。比普通的热处理工艺制备的钽片的晶粒尺寸细化了10％～25％。本发明制备出的钽片的织构更加均匀，其(222)晶面织构系数较普通热处理工艺降低了20～25％。本发明对制备塑性优良的钽片具有重要的实用价值。

附图说明

图1为实施例和比较例中处理后高纯钽板横向(TD)-板法向(ND)面的金相图，其中，(a)为比较例1的金相图，(b)为实施例1的金相图，(c)为实施例2的金相图；

图2为实施例和比较例中处理后高纯钽片的平均晶粒尺寸柱状图；

图3为实例1和比较例1处理后钽片轧制面的XRD图谱。

具体实施方式

本发明提供了一种低温制备超细晶粒钽片的退火工艺。

步骤1、将棒状钽锭在75Kg空气锤下进行三向锻造，锻造方向沿着钽锭的x、y、z三个方向进行锻造(x、y为钽锭相互垂直的两个径向方向，z为钽锭轴向方向)，三个方向各锻两次为一次锻造周期，每个锻造周期变形的真应变总和控制在1.6～2.0之间。锻造完后将钽锭置于管式炉中，并在氩气气氛中退火，到此为一次锻造退火周期。如此反复进行多个周期，锻造期间总应变量为9.0～10.8。

步骤2、将锻造后的钽锭分别在600～950℃恒温退火50～80min，退火后的钽锭进行轧制变形处理，轧制变形应变量为1.6，将轧制处理后的钽片置于500～600℃恒温退火50min。将退火后的钽片再次进行轧制变形，轧制变形应变量为2.3。

步骤4、将最终制得钽片置于热处理炉中加热至450～550℃保温50min后，将温度降至350～450℃保温50min后，将温度升至900～1000℃保温80min，然后随炉冷却至室温后取出。

采用上述的热处理工艺得到的钽片晶粒细小均匀，平均晶粒尺寸小于26μm。

下面用具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，但本发明不限于以下的具体实施方案。

比较例1

(1)钽板的塑性变形：将棒状钽锭在75Kg空气锤下进行三向锻造，锻造方向沿着钽锭的x、y、z三个方向进行锻造(x、y为钽锭相互垂直的两个径向方向，z为钽锭轴向方向)，三个方向各锻两次为一次锻造周期，每个锻造周期变形的真应变总和控制在1.6～2.0之间。锻造完后将钽锭置于管式炉中，并在氩气气氛中退火，到此为一次锻造退火周期。如此反复进行多个周期，锻造期间总应变量为9.0～10.8；

(2)将锻造后的钽锭在950℃进行恒温退火80min，升温速率为10k/min；然后将钽锭进行轧制处理，变形量为80％，然后将钽片置于925℃下保温80min，升温速率为5k/min；将退火后的钽片进行二次轧制处理，变形量为90％，而后将钽片置于热处理炉中加热至550℃保温50min后，将温度降至450℃保温50min后，将温度升至1000℃保温80min，然后随炉冷却至室温后取出。

实施例1

(2)将锻造后的钽锭在600℃进行恒温退火50min，升温速率为10k/min；然后将钽锭进行轧制处理，变形量为80％，然后将钽片置于600℃下保温50min，升温速率为10k/min；将退火后的钽片进行二次轧制处理，变形量为90％，而后将钽片置于热处理炉中加热至550℃保温50min后，将温度降至450℃保温50min后，将温度升至1000℃保温80min，然后随炉冷却至室温后取出。

实施例2

(1)钽板的塑性变形：将棒状钽锭在75Kg空气锤下进行三向锻造，锻造方向沿着钽锭的x、y、z三个方向进行锻造(x、y为钽锭相互垂直的两个径向方向，z为钽锭轴向方向)，三个方向各锻两次为一次锻造周期，每个锻造周期变形的真应变总和控制在1.6～2.0之间。锻造完后将钽锭置于管式炉中，并在氩气气氛中退火，到此为一次锻造退火周期。如此反复进行多个周期，锻造期间总应变量为9.0～10.8；(2)将锻造后的钽锭在950℃进行恒温退火80min，升温速率为10k/min；然后将钽锭进行轧制处理，变形量为80％，然后将钽片置于600℃下保温50min，升温速率为10k/min；将退火后的钽片进行二次轧制处理，变形量为90％，而后将钽片置于热处理炉中加热至550℃保温50min后，将温度降至450℃保温50min后，将温度升至1000℃保温80min，然后随炉冷却至室温后取出。

对比比较例和实施例制备完成后钽片的晶粒尺寸和晶粒取向，测试方法和测试结果如下：

用光学显微镜分别观察比较例1和实施例1、2轧制面显微组织结构，结果如图1所示，其中(a)为比较例1的显微组织结构，(b)为实施例1的显微组织结构，(c)为实施例2的显微组织结构；

根据《金属平均晶粒度测定方法》(GB/T6394-2017)对图1所示的比较例1和实施例1、2钽片的平均晶粒尺寸进行计算，结果如图2所示。

用X射线衍射(XRD)对比较例1和实施例1、2钽片的晶粒取向进行测试，测试结果如图3所示；

如图1所示，可以看出图1(a)晶粒尺寸最大，图1(b)次之，图1(c)最小。由此可见，在锻造轧制过程中的采用中间退火工艺，可明显使得最终制得钽片的晶粒尺寸减小。

图2中显示的是比较例1和实施例1、2的平均晶粒尺寸大小。由图可知，比较例1制备的钽片平均晶粒尺寸为29.54μm，实施例1制备的钽片平均晶粒尺寸为25.93μm，而实施例2制备的钽片平均晶粒尺寸为22.93μm。实施例1较比较例1平均晶粒尺寸减小了12.3％，实施例2较比较例1平均晶粒尺寸减小了22.4％。

图3显示的是比较例1和实施例1、2的X射线衍射图谱。由图可知，比较例1的(222)晶面衍射峰强度比实施例1、2的(222)晶面衍射峰强度明显要高，而(200)和(110)衍射峰强度均低于实施例1、2；通过晶面织构系数(TC值)计算，实施例1较比较例1的(222)晶面TC值低21.4％，实施例2较比较例1的(222)晶面TC值低24.3％。

综上所述，与传统的退火工艺相比，本研究在塑性变形的过程中加入低温退火的工艺，节约了塑性变形过程中退火的时间与能耗，最重要的是其对成品晶粒细化与晶面取向均匀化的影响，能大大的改善产品的硬度、抗拉强度等力学性能。

以上仅是本发明的特征实施范例，对本发明保护范围不构成任何限制。凡采用同等交换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims

1.一种低温制备超细晶粒钽片的退火工艺，其特征在于，所述退火工艺包括以下步骤：

S1、锻造钽片进行塑性变形处理；

S2、恒温热处理并初步轧制变形：在600～950℃温度下恒温热处理，再随炉冷却至室温再进行轧制变形处理，轧制的变形量为80％～85％；

S3、恒温热处理并二次轧制变形：在500～600℃温度下恒温热处理，退火后对钽片进行轧制变形处理，轧制的变形量为90％～93％；

S4、分段式恒温热处理，在热处理炉中采用先降温后升温的方式，以不同的热处理温度分阶段地进行恒温热处理，最后随炉冷却至室温取出。

2.根据权利要求1所述的一种低温制备超细晶粒钽片的退火工艺，其特征在于：所述步骤S1具体包括对电子束熔炼态钽锭进行多次锻造，每次锻造后均进行退火，锻造过程发生的等效应变总和为9.0～10.8；制得的钽片的纯度不小于99.9％。

3.根据权利要求1所述的一种低温制备超细晶粒钽片的退火工艺，其特征在于：所述步骤S2至S4中的热处理过程均在氩气气氛保护条件下进行，热处理的升温速率为10℃/min。

4.根据权利要求1所述的一种低温制备超细晶粒钽片的退火工艺，其特征在于：所述步骤S2和S2中，恒温热处理时间均为50～80min。

5.根据权利要求1所述的一种低温制备超细晶粒钽片的退火工艺，其特征在于：所述步骤S4中，分阶段的热处理温度分别为450～550℃、350～450℃、900～1000℃；其中在450～550℃的阶段恒温加热50min；在350～450℃的阶段恒温加热50～80min；在900～1000℃的阶段恒温加热50～90min。

6.权利要求1至5任一所述退火工艺制备的超细晶粒钽片。

7.根据权利要求6所述的超细晶粒钽片，其特征在于：所述超细晶粒钽片的平均晶粒尺寸在14～26μm之间。