《Cryogenics》：Analysis of thermal residual strain and mechanical properties in REBCO coated conductor tapes with stainless steel and Hastelloy substrate using FEM
编辑推荐：
黄怡宁|高阳|石立|孙文涛|黄传军|李来峰|周远•利用实际逐层沉积温度对REBCO CC带材中的热残余应变演化进行了建模。•以生产和冷却过程中产生的残余应力作为初始状态，分析了REBCO CC带材的轴向拉伸行为。•310S-CC带材的不可逆拉伸应变耐受度（0.86–0.88%）高
黄怡宁|高阳|石立|孙文涛|黄传军|李来峰|周远
- •
利用实际逐层沉积温度对REBCO CC带材中的热残余应变演化进行了建模。
- •
以生产和冷却过程中产生的残余应力作为初始状态，分析了REBCO CC带材的轴向拉伸行为。
- •
310S-CC带材的不可逆拉伸应变耐受度（0.86–0.88%）高于C276-CC带材（0.56–0.59%）。
- •
在相同厚度下，C276-CC带材的不可逆应力（704–938 MPa）高于310S-CC带材（615–787 MPa）。
引言
由于具备出色的临界电流性能和机械特性，REBCO涂层导体（CC）带材被越来越多地应用于高场和高能量领域，比如发电机[1]、[2]、电动机[3]、[4]以及电力电缆[5]。作为一种典型的多层结构，REBCO CC带材由REBCO层、缓冲层、金属基底、银层以及铜稳定层组成，这些层各自具有不同的物理和机械性质。在带材的生产和冷却过程中，REBCO层、银层和铜层是在不同温度下沉积或电镀而成的。由于各层之间的热膨胀系数存在差异，当带材经历较大温度变化时就会产生复合热残余应力。了解多层结构中的热残余应力问题非常重要，因为它会显著影响CC带材的临界电流。张等人[6]为多层涂层系统中的热应力分布推导出了封闭形式解。根据他们的公式，热残余应力不仅与各层的热膨胀系数有关，还受各层厚度和杨氏模量的影响。许等人[7]研究了多层超导体系中的残余应力，发现当层的厚度相对于基底可以忽略不计时，该层属性的变化会改变其自身的残余应力，但对系统中其他层的残余应力影响甚微。在实际应用中，基底的类型以及基底和铜层的厚度会根据客户要求而有所不同。然而，关于基底类型、基底厚度和铜层厚度如何共同影响REBCO层中的残余应力/应变的系统性研究仍然不足。
另一方面，REBCO CC带材的机械性能也取决于基底层和稳定层?厚度及其机械特性，因为这两层是带材中厚度最大的部分。不同的制造商会根据自身的生产技术选择不同的材料，比如哈斯合金和不锈钢。哈斯合金C276是一种镍基超级合金，以其高强度、优异的耐热性以及非磁性而著称，因此成为大多数REBCO CC带材制造商的首选材料。不锈钢310S则是一种高镍高铬的非磁性钢，苏南公司曾将其作为经济型基底材料使用。这两种合金都因其强度和耐热性而被用于高温环境，因此很有可能承受沉积过程中的退火温度。拉德克利夫等人[8]通过模拟沉积温度发现，310S对沉积温度较为敏感，而哈斯合金的机械性能更为优异。申等人[9]比较了采用哈斯合金和不锈钢作为基底时，GdBCO CC带材的本征应变对临界电流的影响。虽然不锈钢的屈服强度较低，但作为基底材料时其应变耐受度更高。尽管有这些对比研究，但目前仍缺乏对基底类型、基底厚度以及铜层厚度如何共同影响热残余应力及整体机械性能的系统性量化分析。
为了提升多层REBCO CC带材的可靠性与机械性能，有必要了解各主要层、基底层以及铜稳定层是如何影响整个带材性能的。本文通过有限元模型，研究了基底类型、基底厚度以及稳定层厚度对热残余应力/应变和机械性能的影响。研究分为两个阶段进行：第一阶段，考虑不同的带材结构，计算从沉积温度到77 K时各层的热残余应力值，同时也会将实际的沉积温度和顺序纳入考量。为准确反映逐层沉积的过程，会在每个温度区间内采用分段平均的热膨胀系数。第二阶段，则以第一阶段得到的应力/应变初始状态为依据，进一步分析REBCO CC带材在轴向拉伸载荷作用下的机械行为和不可逆性能。
章节要点
REBCO CC带材
如图1所示，REBCO CC带材具有复合多层结构。由于REBCO CC带材在纵向和横向都具有对称性，因此只需用有限元模型模拟其四分之一的几何结构即可。该有限元模型包含了所有主要层：基底层、REBCO层、银层以及铜稳定层。由于缓冲层的总厚度约为150纳米[10]，且其整体轴向刚性占比还不到总刚性的0.4%，因此并未将它们纳入有限元模型的分析范围。
生产和冷却过程中各层的残余应力/应变分布
在本小节中，以基底厚度为50微米、两侧铜层厚度均为10微米的C276-CC带材和310S-CC带材作为示例，分析了其在生产和冷却过程中的残余应力分布情况。
图4展示了C276-CC带材各层的热残余应力/应变情况。在生产过程中，首先在哈斯合金基底上沉积REBCO材料，此时REBCO层和基底都处于无应力/无应变的状态。
结论
本研究通过有限元方法，对REBCO CC带材在生产和冷却过程中的热残余应力/应变以及其在轴向拉伸载荷作用下的机械行为进行了数值分析。研究总结了在不同基底类型、基底厚度以及铜层厚度条件下，REBCO层中的残余应变，以及REBCO CC带材的机械性能、不可逆应变和不可逆应力等方面的变化情况。
对于C276-CC带材而言，其残余
CRediT作者贡献说明
黄怡宁：撰写——初稿撰写、软件应用、方法设计、实验研究、正式分析、数据整理、概念构思。高阳：方法设计、概念构思。石立：撰写——审稿与编辑、项目监督、项目管理、概念构思。孙文涛：撰写——审稿与编辑、结果可视化。黄传军：撰写——审稿与编辑、概念构思。李来峰：项目监督、项目管理、资金筹集、概念构思。周远：项目监督，
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
