鈮鈦系超導合金熔鑄

鈮鈦系超導合金熔鑄
(melting of Nb-Ti superconelucting alloy)

用鈮、鈦兩種純金屬，以適當形式組成電極，在真空環境下熔化且形成鑄錠的技術。
鈮和鈦都屬於活性、難熔稀有金屬，它們彼此能形成固溶合金。
該合金屬於第Ⅱ類超導體，具有高的上臨界場(Hc2)。
鈮鈦固溶合金在低溫時效處理時，能析出釘紮相，使其有高的臨界電流密度。

合金組分
熔鑄的鈮鈦合金組分均勻，雜質含量少。
鈮鈦二元超導合金組分與臨界溫度(Tc)和上臨界場的關系曲線分別示於圖1與圖2。

圖1 鈮鈦合金不同鈦含量與臨界溫夏的關系曲線

縱坐標: Tc / K

圖2 鈮鈦合金不同鈦含量與上臨界場的關系曲線

縱坐標: Hc2 / T

從兩圖中的曲線可看出，含高鈦的二元合金的Tc和Hc2是較低的；鈦含量過少的鈮鈦二元合金，其Tc雖高些，而Hc2則較低。
因此，不是所有的鈮鈦二元合金組分都能用於制造鈮鈦超導材料，而要綜合選擇Tc和Hc2都較高的鈮鈦二元合金組分，提供制造超導材料。
實際上，工業化應用的鈮鈦超導合金，含鈦量一般在44％～53％。
因此，鈮鈦超導合金牌號有Nb-44Ti，Nb-46．5Ti，Nb-48Ti，Nb-50Ti和Nb-53Ti等。就這些不同組分牌號鈮鈦超導材料的應用而言，含鈦量較低的適用於制作較高場的超導磁體，而含鈦量較高的則宜用於制作較低場的超導磁體。

合金鑄錠的均勻性和塑性 鈮與鈦屬不同族金屬，它們的熔點相差700℃ ，密度相差近一倍。
在鈮鈦合金熔鑄過程中，易出現鈮不熔塊，影響合金組分的均勻性和塑性。
此外，鈮和鈦對間隙元素(氮、氧、碳、氫等)具有高的活性，化學親和力強，合金中容易超過允許組分量、對合金錠的加工帶來嚴重影響。
而鈮鈦超導合金組分的高度均勻性和優異塑性是使鈮鈦超導材料獲得高臨界電流密度的重要因素。
因為鈮鈦超導材料內的沉澱釘紮相的彌散分布與多次冷加工一熱處理後的最終大的拉拔應變，極大地影響鈮鈦超導材料的臨界電流密度。
可見，為了制備高均勻度與低雜質含量的鈮鈦合金，鑄錠是熔鑄合金工藝技術的至關重要的難題。

合金熔鑄方法 鈮鈦超導合金的熔鑄方法有以下5種：
(1)以粉末為原料的真空白耗電弧爐熔鑄法——用鈮、鈦粉末作原料，按適當比例混合，模壓成電極，經高溫固化、焊接後經真空白耗電弧爐熔鑄兩次或兩次以上，制得鈮鈦合金錠。
(2)以片條或棒配制電極的真空白耗電弧爐熔鑄法——鈮、鈦原料分別經熔煉、加工制得片條或棒材，將它們配制成電極後，在真空自耗電弧爐熔鑄兩次或兩次以上，熔鑄得鈮鈦合金錠。
(3)用片條或棒組合電極的真空電子束爐與真空自耗電弧爐聯合熔鑄法——同上法，將鈮、鈦分別制成片條或棒，且配制成電極，在真空電子束爐與真空白耗電弧爐聯合熔鑄而得鈮鈦合金錠。
(4)用片條或棒配制電極的真空電子束爐熔鑄法——以鈮、鈦分別制成片條或棒，將它們配制為電極，在真空電子束爐內熔鑄兩次或兩次以上，制得鈮鈦合金錠。
(5)用優質海綿鈦與電子束提純鈮棒配制電極的真空白耗電弧爐與真空殼式爐聯合熔鑄法——以優質海綿鈦壓制成棒，將其與真空電子束爐熔鑄提純的鈮棒配制成電極，在真空白耗電弧爐與真空殼式爐兩種爐型內，聯合熔鑄成鈮鈦合金鑄錠。

上述鈮鈦超導合金熔鑄方法，用鈮、鈦粉末為原料在制備高均勻性的鈮鈦合金方面有些優勢，但易造成間隙雜質較多，工藝繁雜。
用鈮、鈦片條或棒為電極的真空電子束爐熔鑄的鈮鈦超導合金錠，能得到含雜質、特別是含間隙雜質很少的塑性優異合金，但合金組分鈮n中鈦含量波動範圍比較大。
一般真空自耗電弧爐熔鑄的鈮鈦合金錠，其不同部位含鈦量波動在±1．5％；而真空電子束爐熔鑄的波動範圍為±3％或稍多。
第五種鈮鈦合金熔鑄法是我國西北有色金屬研究院采用的一種獨具特色的方法。
該方法工藝簡便，既可獲得高度均勻性的鈮鈦合金錠，又能制得低雜質含量的鈮鈦合金。

合金標准 美國華昌公司、德國VAC公司有關鈮鈦超導合金鑄錠標准和我國西北有色金屬研究院生產的鈮鈦超導合金錠的質量列於表中。

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