YBCO涂层导体用哈氏合金C-276基带电化学抛光*

朱 海 吴向阳 彭东辉 韩 婕 徐静安

(上海化工研究院)

哈氏合金C-276是高温涂层导体基带的主要材料之一，但是由于轧制水平的限制，目前进口的哈氏合金C-276基带表面粗糙度较大，其表面均方根粗糙度在25μm×25μm范围内为40～60nm，无法达到直接外延生长缓冲层和超导层的要求。尽管目前尚未有系统的有关表面粗糙度及表面清洁度影响的实验数据，但可以认为，任何表面缺陷都将会影响膜的附着力及膜的外延生长，必须通过后续的表面处理技术改善基带的表面质量。

电化学抛光(也称电解抛光)技术是在一定的外加电压下，将直流电流通过电解池使金属工件在特定的电解液中发生阳极溶解，从而使其表面粗糙度下降，并产生一定金属光泽的表面光整技术。电化学抛光能够有效降低带材的表面粗糙度，而且效率高，安全易控。目前，从理论上还不能确定某种金属或合金最适宜的抛光液组成和比例，大多采用反复试验来确定合适的抛光液成分，试验工作量大，耗时、费力。高镍合金抛光液组成类似于不锈钢，主要参考镍和不锈钢配方体系。硫酸-磷酸体系电解抛光液是通用性较好的酸性抛光液[5]。笔者以磷酸-硫酸及适量比例添加剂作为电解抛光液，采用均匀试验设计安排试验，综合考察影响抛光效果的各工艺参数，如溶液组成、抛光时间及抛光电流密度等，通过DPS数据处理软件对试验结果进行逐步回归优化，确定了哈氏合金C-276基带电化学抛光最佳工艺条件，并通过试验验证，取得了较好的抛光效果。

1 试验研究

1.1 试验装置

试验装置如图1所示，以纯镍片作为阴极，哈氏合金基带作为阳极。其中，阳极试样尺寸为10mm×10mm，阴、阳极面积比为4∶1，极间距为15mm，抛光温度为25±1℃，抛光电源为LPS303D型0-30V/0-30A直流电源。试验前，试样首先用丙酮脱脂，再在自制净洗剂中超声波清洗2min，然后依次用自来水和去离子水冲洗，无水乙醇脱水，风机吹干待用。试验结束后，试样依次用自来水冲洗、去离子水超声波清洗2min，无水乙醇脱水、风机吹干。样品表面粗糙度分析采用MicroNano D5A型原子力显微镜进行表征。

图1 电化学抛光装置示意图

1.2 试验方案

表试验方案及结果

2 结果与讨论

采用二次多项式逐步回归分析方法用于试验数据处理，可以分析出影响因变量的各主要因素和各因素之间是否存在交互作用，以及交互作用的强弱，并且可以得出最优回归方程的F(x)表达式。同时，对预测的最高指标值进行试验验证，可以对回归模型进行不断优化，从而得到最佳结果。笔者为满足回归方程最高指标值时拟合条件，以Rms的倒数Y，即平整度作为评价指标，拟合后回归方程为：

Y=0.02225285755+0.13757981486X5-

0.15568224617X5×X5-0.00014478387710X2×X3+0.003284477769X2×X5+0.008028140045X4×X5

相关系数R=0.9285，调整后的相关系数Ra=0.8995；P=0.0001<0.05；Df(5，13)，F=16.2593，查f分布(α=0.05)，F=3.03<16.2593；最大拟合误差为0.0260，与剩余标准偏差S=0.0125的比值为2.08，可以认为该回归方程非常显著。对偏回归系数进行t值检验时，由∣t∣大者对应的偏回归系数(表2)可知，因素主次顺序为：X2X5>X2X3>X5X5>X4X5>X5，且交互项X2X5、X2X3对应的P值为0.0001<0.01，故X2X5和X2X3对表面粗糙度影响高度显著。可得在试验范围内硫酸含量与电流密度以及与添加剂I的交互作用对基带表面粗糙度的影响高度显著。

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从表2回归系数表还可看出，每个自变量的显著性概率P值都小于0.05，说明所有5个自变量都是显著有效的，可以认为该回归方程是最佳方程。

表2 回归系数表

通过对回归方程求取最优值，所得最高指标时各因素组合条件为：

X1=27.0533mL

X2=50.0000mL

X3=10.0000mL

X4=6.5000mL

X5=1.1000A/cm2

X6=90.8159s

Y=0.1509

Rms=6.627nm

按照以上工艺条件对哈氏合金C-276基带进行电解抛光验证试验，利用原子力显微镜(AFM)对基带表面进行表征，如图2所示，同时与原始基带进行对比分析(图3)。

图2 抛光后C-276基带表面AFM形貌(Rms=4.986nm)

图3 抛光前C-276基带表面AFM形貌(Rms=4.986nm)

结果表明，抛光前基带表面均方根粗糙度为41.151nm，抛光后降到了6.144nm。抛光后试样表面光滑、平整，冷轧过程中产生的沟槽效应已基本消失，说明在此工艺条件下，对哈氏合金C-276基带电解抛光能够获得较好的基带表面，且不影响基带立方织构比例，可满足超导隔离层和YBCO层的外延生长。而抛光前试样表面十分粗糙，轧制方向上具有较为明显的辊印和划痕，形成了较为直观的沟槽效应，且表面呈现明显的凹凸不平状态。

对回归方程进行实验验证后，得到抛光后的哈氏合金C-276基带表面均方根粗糙度分别为：6.741、 4.986、6.705nm，平均值6.144nm，试验验证值比预期结果还要好。而模型预测值与试验验证的平均值相对误差为7.86%，说明回归方程正确可信。

3 结束语

采用磷酸-硫酸及适量比例添加剂体系作为电解抛光溶液，利用均匀设计方法安排试验，对哈氏合金C-276基带进行了电解抛光，通过应用DPS数据处理软件对抛光结果进行回归优化。在确定的最优抛光工艺条件下，哈氏合金C-276基带在25μm×25μm范围内，表面均方根粗糙度降低到10nm以下。在本试验中，电解抛光液组成为磷酸(85%)、硫酸(98%)、添加剂I、添加剂II，体积比为27∶50∶10∶6.5，抛光电流密度为1.1A/cm2，抛光时间为90s时，哈氏合金C-276基带能够获得较好的表面状态，可满足超导带材对基带表面质量要求。

参考文献

[1] 张其瑞. 高温超导电性[M]. 杭州: 浙江大学出版社,1992.

[2] Iijima Y, Tanabe N, Kohno O, et a1. In-Phane Aligned YBa2Cu3O7-xThin Films Deposited on Polycrystalline Metallic Substrate [J]. Applied Physics Letters, 1992,60(6):769～771.

[3] He Q, Christen D K, Budai J D, et al. Deposition of Biaxially Oriented Metal and Oxide Buffer-Layer Films on Textured Ni Tapes: New Substrates for High-Current，High-temperature Superconductors [J]. Physical, 1997, 275(1/2): 155～161.

[4] Norton D P, Goyal A, Budai J D, et a1. Epitaxial YBCO on Biaxially Textured Nichel(001): An Approach to Superconducting Tapes with High Critical Current Density [J]. Science, 1996, 274(5288): 755～757.

[5] Chen S C, Tu G C, Huang C A. The Electrochemical Polishing Behavior of Porous Austenitic Stainless Steel (AISI 316L) in Phosphoric-sulfuric Mixed Acids [J]. Surface and Coatings Technology, 2005, 200(7):2065～2071.