nbti复合法nbti超导体的制备工艺与性能研究

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1、东北大学硕士学位论文摘要Nb／Ti复合法NbTi超导体的制备与性能研究摘要传统的低温超导材料NbTi合金，由于其拥有优良的加工性能及超导性能，大量的应用在低温工程中，占整个超导材料消耗量的90％左右。近年来，大型低温工程项目和磁共振成像仪(MRI)的迅速发展，对低温超导材料特别是对NbTi超导线材的的需求量急剧增加，极大地刺激了超导市场的发展。目前NbTi超导材料主要应用于MRI、核磁麸振、实验室仪器、粒子加速器、电力、扫雷、矿石磁分离、磁悬浮火车、超导储能(SMES)等。尽管高温超导材料(例如Bi系超导材料、Y系超导材

2、料等)具有较高的临界转变温度和超导性能，然而类似于陶瓷的机械性质导致它们的加工性能较差，难以制备出性能均匀的长线，制约了高温超导体的发展，因此NbTi超导材料仍是工程应用的首选。但是高质量NbTi超导体的生产困难且昂贵，必须严格控制合金的熔化过程和复杂的加工及热处理过程，使得产品成品率难以迸一步提高，成本下降的空间越来越小，阻碍了NbTi超导材料应用的进一步发展。在不降低NbTi超导线材临界电流密度的前提下，如果能够采用一定的方法简化NbTi超导线材的传统制备工艺，这对超导产业的技术进步很有意义。本文所介绍的Nb／Ti复

3、合法NbTi超导线材的制备工艺，是采用Nb片和Ti片交替配置的方法组配成NbTi复合体，并经扩散反应来制备NbTi超导线材，旨在为缩短NbTi超导体的制各周期、降低制作成本方面提供工艺依据。本文采用多层Nb片与Ti片交替组配的方法，经过热等静压、热挤压、冷拉拔及扩散热处理相结合的工艺手段制备出了三种不同成分的NbTi超导复合线。该工艺与传统NbTi超导线材制备工艺路线的不同之处是，它不必先制作NbTi合金，而是起始于纯Nb和纯Ti。在复合体中通过调整Nb片与Ti片的相对厚度，不同成分的NbTi超导体都可以制作出来。它省去

4、了NbTi通过熔炼而合金化的过程，简化了NbTi超导体的制备工艺环节，减少了NbTi超导体线材的热处理时间，缩短了NbTi超导体线材的制备周期。通过对不同尺寸NbTi复合线断面组织结构的观察，描述了NbTi复合体组织结构的演变过程，随着冷加工的深入，Nb／Ti层的厚度进一步减小，在一定的总加工率范围内，Nb片与Ti片仍然能保持基本平直的状态，而随着总加工IT东北大学硕士学位论文率的加大，Nb片与Ti片的片层形貌变为弯曲的带条状，最终能达到纳米尺度的结构形态。通过对Nb片和Ti片制备的扩散偶进行热处理。研究了Nb、Ti的扩

5、散过程，结果表明：在Nb、Ti两种原子参与的固态扩散过程中，Ti原予在Nb基体中的扩散速率要大于Nb原子在Ti基体中的扩散速率。经800℃热处理的超导线，其内部的Nb和Ti互扩散发生的充分，形成了均匀的单相固溶合金，其成分接近于设计的平均成分；而经400℃热处理的超导线，其内部的Nb和Ti经过互扩散形成了具有一定浓度梯度的合金层，并且有富Nb区和Ti富区存在，很难分辨出清晰的超导相和非超导相，后者可以获得比前者更高的Jc值。最后分析了成分、热处理时间及最终附加应变对NbTi超导线临界电流密度的影响。结果表明：不同Ti含量

6、的NbTi复合超导线，在加工过程中的塑性并无明显差异。高Ti复合体，在低场下可以获得高的Jc值，而低Ti复合体，在高场下其Jc值则更具有优势。随着Ti含量的增加，尼的峰值在向低场移动。为了得到高的Jc值，对Ti含量较高的超导线，可以选择较短的热处理时间，而对Ti含量较低的超导线，则要求较长的热处理时间。在总应变一定的范围内，超导线的超导性能随着最终附加应变的增加会有很大程度的提高。成分为49．73wt％Ti、经过400℃／40小时热处理且最终附加应变为4．28的超导线，在3T、4．2K下，其临界电流密度值可达到4200A

7、／mm2，5T、4．2K下其临界电流密度值可达2800A／mm2，经过工艺优化还有望获得更高的Jc值。关键词：NbTi超导线，热处理，显微组织，临界电流密度末北丈学硕士学位论文，AbstractProcessandPropertiesoftheNbTiSuperconductorFabricatedbyNb／TiCompoundingAbstractNiobium—Titaniumalloyhasexcellentductilityandhighcurrent—carryingcapacityunderappliedma

8、gneticfieldsasaconventionallowtemperaturesuperconductivematerial．Ithasbeenextensivelyusedtolowtemperatureengineeringprojects，whichoccupiedtheapproximately90per