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NbTi合金的主要缺陷及形成机制

来源:www.timetimetime.net 时间:2019-09-29 编辑:文学

超导材料已广泛应用于高科技领域。 NbTi合金是一种典型的低温超导材料,在高科技领域(高能物理,受控热核聚变,能量存储,磁悬浮等)中发挥着极其重要的作用。它已成为不可替代的新材料,广泛用于能源,交通,医疗和高能物理等重要领域。国际热核实验反应堆(ITER)计划目前是世界上最大的国际科研合作项目之一。由于其优异的加工性能和高的临界电流密度,NbTi超导体被广泛用于ITER项目。在ITER磁体组件中,要求NbTi线在高磁场下具有良好的性能,并要求低磁滞损耗和高RRR值。因此,制备具有高均匀性和低杂质含量的NbTi合金具有重要意义。

Nb元素的熔点为2468℃,密度为8.57g/cm 3,而Ti元素的熔点为1668℃,密度为4.5g/cm 3。一方面,Nb和Ti元素的熔点和密度相差很大,使得制备高度均匀的NbTi合金变得困难。另一方面,由于Ti的高活性,所以获得了杂质含量低的NbTi合金。这也是具有挑战性的。针对上述制备问题,国内外各界学者和专家对NbTi合金的熔化方法进行了广泛的研究。美国华昌公司(ATI)采用粉末冶金方法:首先将高纯Ti和高纯Nb分别制备成Nb粉和Ti粉,然后将Nb粉和Ti粉混合并烧结以形成电子电极光束熔化,最后很多次。将电弧炉熔炼成合金锭。该工艺制备的合金成分均匀,间隙元素含量低,但工艺复杂,产品成本高,NbTi合金中容易引入Nb2O5颗粒,大大降低了合金的性能。材料。日本JASTEC NbTi合金的熔化过程是使用相同厚度的Nb板和Ti板交替层压,焊接到电极中,并通过多次电弧熔化制备NbTi合金锭。该方法工艺简单,生产成本低,但均匀度均匀。不良,容易产生Nb非熔块和Ti等缺陷;目前,国内有一些单位通过消耗性熔壳炉熔炼生产NbTi合金锭。经过数十年的研究和积累,西方超导总结了一套真空自耗电极熔炼方法,从根本上解决了NbTi合金主要冶金缺陷Nb非熔块的问题。然而,在冶炼过程中,由于溶质的再分布的影响,NbTi引起了NbTi合金锭中低密度元素Ti的富集而引起的一系列不均匀缺陷,例如黑斑和木纹。超导线断开的另一个重要原因。这项研究首先描述了在制备NbTi超导线材过程中导致断线的典型缺陷,然后总结了NbTi合金中加工流线的形成以及溶质重新分布引起的富钛偏析。 NbTi合金的制备工艺为消除Ti偏析,提高NbTi合金的成分和组织均匀性奠定了基础。

1个实验

本实验中使用的NbTi合金样品均为通过真空电弧熔化(VAR)和自由锻造至140 mm bar生产的520 mm铸锭。通过簇拉伸将获得的合金棒制成直径为0.7mm的NbTi合金线。西方超导公司的客户JASTEC对一些样品进行了分析。

2结果与讨论

2.1 NbTi超导体的断裂及其典型缺陷

NbTi超导线材的制备是一个非常复杂的过程。从开始铸锭到完成最终焊丝通常需要很长时间。 NbTi超导体的最终产量和质量主要取决于过程控制,而NbTi合金棒的质量是过程控制中最难控制的。对于NbTi超导合金棒,基本要求是高均匀Ti含量,非常低的杂质含量,优异的可塑性和优异的组织均匀性。超声波检查可用于检测NbTi合金中的大多数缺陷,例如冶金缺陷(例如Nb非熔块和各种夹杂物),但是很难找到结构缺陷(例如偏析)。这些缺陷使NbTi超导芯线在5?以下处理时容易断裂。因此,对NbTi合金棒中缺陷形成机理的透彻研究以及对可能的缺陷过程的严格控制在提高超导材料的产量中起着重要的作用。

2.2 NbTi超导合金棒材的加工流水线

NbTi超导合金棒材中加工流线的形成与锻造工艺密切相关。流线型加工是锻造材料中的常见现象。越靠近材料中心,低功率流线的密度越高。

金属锭具有较大的晶粒,晶粒边界处的夹杂物(塑性夹杂物和脆性夹杂物),并且晶粒内部存在微观偏析和随机成分波动。在变形过程中,由于边界摩擦,在大变形区和刚性区之间没有明显的过渡区,在两个区之间形成了严重的剪切区。随着变形的增加,材料内部的应力将发生变化,并且在施加的应力条件下,晶粒的内部和边界将发生协同变形。在变形过程中,晶粒沿变形方向拉长,塑性夹杂物也随变形而拉长,脆性夹杂物破碎并呈链状分布,最终形成纤维状结构。晶内点缺陷增加,位错密度增加,并且晶格严重变形。

2.3 NbTi超导合金棒中富钛偏析

通过扫描电子显微镜背散射电子(BSE)和能谱(EDS)分析和研究了NbTi合金棒中的黑点和流线。图6显示了NbTi合金棒低功率照片中暗点的背向散射电子图像和能谱。从图中可以看出,暗点区域在反向散射电子照片中具有明显的对比度,正常区域和异常区域的合金元素能谱分析表明,Ti含量相差很大,达到了近6%。表明该地区发生了明显的富钛偏析。

3个结论

1)NbTi合金棒的主要缺陷Nb非熔化块,富Ti偏析和组织不均匀是导致NbTi超导线材断线的主要因素。

2)NbTi合金锻棒上的加工流线以及X射线透射仪上的黑点和木纹图像可以用作NbTi合金中富Ti偏析的主要指标。

3)NbTi合金中富钛的偏析本质上是一种通道偏析。

4)NbTi合金中的通道偏析是由较轻的溶质元素Ti的漂浮和进料过程中柱状晶体隧道的阻塞引起的槽效应引起的。

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