铌钛系超导合金熔铸

铌钛系超导合金熔铸
(melting of Nb-Ti superconelucting alloy)

用铌、钛两种纯金属，以适当形式组成电极，在真空环境下熔化且形成铸锭的技术。
铌和钛都属于活性、难熔稀有金属，它们彼此能形成固溶合金。
该合金属于第Ⅱ类超导体，具有高的上临界场(Hc2)。
铌钛固溶合金在低温时效处理时，能析出钉扎相，使其有高的临界电流密度。

合金组分
熔铸的铌钛合金组分均匀，杂质含量少。
铌钛二元超导合金组分与临界温度(Tc)和上临界场的关系曲线分别示于图1与图2。

图1 铌钛合金不同钛含量与临界温夏的关系曲线

纵坐标: Tc / K

图2 铌钛合金不同钛含量与上临界场的关系曲线

纵坐标: Hc2 / T

从两图中的曲线可看出，含高钛的二元合金的Tc和Hc2是较低的；钛含量过少的铌钛二元合金，其Tc虽高些，而Hc2则较低。
因此，不是所有的铌钛二元合金组分都能用于制造铌钛超导材料，而要综合选择Tc和Hc2都较高的铌钛二元合金组分，提供制造超导材料。
实际上，工业化应用的铌钛超导合金，含钛量一般在44％～53％。
因此，铌钛超导合金牌号有Nb-44Ti，Nb-46．5Ti，Nb-48Ti，Nb-50Ti和Nb-53Ti等。就这些不同组分牌号铌钛超导材料的应用而言，含钛量较低的适用于制作较高场的超导磁体，而含钛量较高的则宜用于制作较低场的超导磁体。

合金铸锭的均匀性和塑性 铌与钛属不同族金属，它们的熔点相差700℃ ，密度相差近一倍。
在铌钛合金熔铸过程中，易出现铌不熔块，影响合金组分的均匀性和塑性。
此外，铌和钛对间隙元素(氮、氧、碳、氢等)具有高的活性，化学亲和力强，合金中容易超过允许组分量、对合金锭的加工带来严重影响。
而铌钛超导合金组分的高度均匀性和优异塑性是使铌钛超导材料获得高临界电流密度的重要因素。
因为铌钛超导材料内的沉淀钉扎相的弥散分布与多次冷加工一热处理后的最终大的拉拔应变，极大地影响铌钛超导材料的临界电流密度。
可见，为了制备高均匀度与低杂质含量的铌钛合金，铸锭是熔铸合金工艺技术的至关重要的难题。

合金熔铸方法 铌钛超导合金的熔铸方法有以下5种：
(1)以粉末为原料的真空白耗电弧炉熔铸法——用铌、钛粉末作原料，按适当比例混合，模压成电极，经高温固化、焊接后经真空白耗电弧炉熔铸两次或两次以上，制得铌钛合金锭。
(2)以片条或棒配制电极的真空白耗电弧炉熔铸法——铌、钛原料分别经熔炼、加工制得片条或棒材，将它们配制成电极后，在真空自耗电弧炉熔铸两次或两次以上，熔铸得铌钛合金锭。
(3)用片条或棒组合电极的真空电子束炉与真空自耗电弧炉联合熔铸法——同上法，将铌、钛分别制成片条或棒，且配制成电极，在真空电子束炉与真空白耗电弧炉联合熔铸而得铌钛合金锭。
(4)用片条或棒配制电极的真空电子束炉熔铸法——以铌、钛分别制成片条或棒，将它们配制为电极，在真空电子束炉内熔铸两次或两次以上，制得铌钛合金锭。
(5)用优质海绵钛与电子束提纯铌棒配制电极的真空白耗电弧炉与真空壳式炉联合熔铸法——以优质海绵钛压制成棒，将其与真空电子束炉熔铸提纯的铌棒配制成电极，在真空白耗电弧炉与真空壳式炉两种炉型内，联合熔铸成铌钛合金铸锭。

上述铌钛超导合金熔铸方法，用铌、钛粉末为原料在制备高均匀性的铌钛合金方面有些优势，但易造成间隙杂质较多，工艺繁杂。
用铌、钛片条或棒为电极的真空电子束炉熔铸的铌钛超导合金锭，能得到含杂质、特别是含间隙杂质很少的塑性优异合金，但合金组分铌n中钛含量波动范围比较大。
一般真空自耗电弧炉熔铸的铌钛合金锭，其不同部位含钛量波动在±1．5％；而真空电子束炉熔铸的波动范围为±3％或稍多。
第五种铌钛合金熔铸法是我国西北有色金属研究院采用的一种独具特色的方法。
该方法工艺简便，既可获得高度均匀性的铌钛合金锭，又能制得低杂质含量的铌钛合金。

合金标准 美国华昌公司、德国VAC公司有关铌钛超导合金铸锭标准和我国西北有色金属研究院生产的铌钛超导合金锭的质量列于表中。

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