实用化Nb_3Al超导材料的制备及性能的优化研究

发布时间：2020-11-01 21:44

　　 地球上的能量,无论是以矿石燃料、风力、水力还是动植物的形式储存起来的,最终的来源都是太阳：而太阳的能量则是来源于核聚变,因此,人类如果掌握了有序地释放核聚变的能量的办法,就等于掌握了太阳的能量来源。目前,国际热核聚变实验堆计划(ITER)将采用全超导可控磁约束热核聚变能(托卡马克)发电技术使这一理想得以实现。Nb3Sn和NbTi超导材料已经应用于制备托卡马克磁体,而在未来的聚变示范堆乃至商用堆中,对超导磁体磁场强度、超导线圈应力应变容许特性有更高的要求。作为替代Nb3Sn和NbTi超导材料的下一代超导体材料Nb3A1,其实用化还有很多工作要做。与同为A15金属间化合物的Nb3Sn不同,Nb3Al不能采用Nb-Sn-Cu低温扩散热处理的方法得到。要获得高性能的Nb3A1超导线材必须在2000℃进行热处理,并且升温和保温时间要尽量短以防止晶粒长大。因此,以下两方面问题是目前制约Nb3A1超导体实用化的主要因素：一方面是Nb3A1前驱线的制备工艺,为使线材在快速升温淬火冷却(RHQ)工艺中完全反应,就需要控制线材和超导芯丝的尺寸,即使在低于2000℃的温度进行长时间的扩散热处理,也要使Nb-Al间的扩散距离小于1μm,这就增加了线材的加工难度；另一方面,如果Nb3Al线材的热处理过程要在2000℃时淬火,热处理设备结构复杂,淬火过程也可能使线材在热应力的作用下发生断裂,线材表面受淬火剂Ga污染后也增加了包覆Cu稳定层的难度,以上两方面都制约了Nb3Al超导长线的制备。本文首次系统的研究了由机械合金化方法制备的过饱和固溶体Nb(A1)ss向Nb3A1相转变的热动力学过程,优化了机械合金化制备Nb3A1超导体的工艺,并探索了利用机械合金化粉末作为原位粉末装管法(in-situ PIT)原料制备Nb3Al超导线材的可行性；另外,本文还首次详细的研究了Nb-A1扩散过程中的成相规律,研究了采用不同原材料,导体结构和加工工艺对套管(RIT)法制备的Nb3A1前驱体线材机械性能的影响,提出了改进制备工艺的措施,通过热处理得到了具备超导性能的Nb3A1超导线材。采用固相烧结和差示扫描量热法(DSC)等研究手段,对机械合金化制备的过饱和固溶体Nb(A1)ss向Nb3Al相转变的过程进行了热动力学研究,800℃的热处理温度即满足转变的热力学要求,当温度升高到1000℃时,Nb3Al相会分解为Nb2Al相；转变过程中较小的活化能且随反应进程减小的特点意味着发生转变反应的势垒较小,该反应较容易发生,Nb3A1晶体的形核和长大都很容易。通过对球磨时间、球磨过程中的球粉比、Nb-A1原料配比、以及热处理温度的优化,最终得到纯度很高但结构并不致密的Nb3Al超导体,其超导转变温度可以达到15.8 K,而热处理温度只需要800℃。基于上述的研究结果,本文分别以机械合金化粉末和直接混合的Nb-Al粉末为原料采用in-situ PIT法制备了Nb3Al超导线带材,对比了二者在性能和结构上的差异。实验以及分析结果显示,由于其高于Cu熔点的热处理温度以及反应后芯丝内留下的大量孔洞,直接混合的Nb-Al粉末不适于大规模应用于制备Nb3A1超导线带材；而采用机械合金化粉末制备的Nb3Al线材在4.2 K,6 T时Jc可以达到103A/cm2,与采用快速升温-淬火-转变(RHQT)方法热处理得到的in-situ PIT Nb3Al线材性能相近。如果能通过复合成多芯线的方式增加线带材中复合组元的变形量,使芯丝更致密,改善线带材中超导芯丝疏松多孔的结构,从而提高其载流性能,那么将机械合金化得到的固溶体粉末应用于in-situ PIT方法制备Nb3Al超导线将具有良好应用前景。另外,本文还探索了RIT法制备Nb3A1超导线材的工艺,首先通过对Nb-A1扩散演变过程的研究,得到了Nb-A1间的扩散成相规律以及影响扩散成相过程的因素；选用的Cu包套层的厚度,Nb基体和Al芯加工性能的差异都是制约制备长NbAl前驱线的因素,通过在Al芯中添加Mg元素改善了Nb-A1两种金属加工性能的差异；采用辊模拉伸+孔型轧制+复合组装+热挤压+拉伸的加工方式制备了156芯束状导体结构的Nb3Al前驱线,热挤压后线材具有很好加工性能,芯丝变形也很均匀。经过RHQT热处理后得到的156芯Nb3A1超导线,Nb3A1超导层非常致密,晶粒的连接性良好,超导转变温度可以达到17.3 K,与国外报导的线材相近,但该线材中仍有较大的孔洞。如果能攻克多次复合挤压工艺,使Nb3A1前驱线的芯丝尺寸降低到1～2μm或更低,采用RHQT热处理工艺,RIT法是可以制备高品质Nb3A1超导线材的。
【学位单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TM26
【部分图文】：

图１．１?ＩＴＥＲ托卡马克磁体效果閱ＰＩ??Ｆｉｇ．?１．１?Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?＂Ｔｏｋａ?Ｍａｒｋ＂ｍａｇｎｅｔ巧??－２?－??

东北大学博壬学位论义?第１章绪论??子，在＜０，?０，?０＞，＜１／２，１／２，１／２＞上共有两个Ａ１原子。Ｎｂ原子的配位数为１４，围绕每个??Ｎｂ原子的ＣＮＨ多面体包括距离１／２３处的两个Ｎｂ原子，距离５／４ａ处的四个Ａ１原子，和??距离２丫Ａ＝—ａ的８个Ｎｂ原子。Ａ１原子在距离ｙａ＋Ｙｂ＝—ａ处有１２个最邻近原巧ＣＮ１２）（ａ??４?４??是晶格常数，Ｙａ，?丫Ｂ分别是Ｎｂ和Ａ１原子的原子半径）。Ｎｂ原子链与Ｈ个＜１００＞方向平??行，沿着这些原子链的原子间的空间比纯Ｎｂ元素结晶的最近距离小１０￣１５％。ＮｂｊＡｌ??具有小的费米速率，通过计算其相干长度为３?ｎｍ，穿透深度可Ｗ达到２００?ｎｍ。由于其具备大的ｎ值和应变耐受力，使得将其制备成大尺寸的高场磁体成为可能。??

，盾错。最后在转变热处理的升温过程中，ｂｃｃ相还没有转变成Ａ１５相前，即已经发生ｂｃｃ??相的有序化，这也是生成富Ａ１煙错的原因。１油ｅｕｃｌｉｉｔ６２＾发现在米进行转变热处理的浑火??相中，Ａ１原子在ｂｃｃ相的晶格中是定的顺序而不是随机分布的，在ＸＲＤ图谱中出??现了｛１００｝和｛１１１｝面的衍射峰，和极图｛１００｝、｛１１１｝面和｛２００｝、｛２２２｝面的完全相同，??给出了?ｂｃｃ相中存在有序化的证踞。ＢｕｔａＰｑ通过高温原位ＸＲＤ分析给出了升温速率对??有序化影响的试验证据，见图１．２４。ＸＲＤ图谱上显示在到达转变温度前，品体的无序??化程度随升温速度的增加而増大，有序化的（１００）和（１１１）面的峰值降低。因为无）宇化的??程度通常随湿度的升高而增大，快速加热使热处理温度高于８００?’Ｃ，可Ｗ有效的阻止??ｂｃｃ相的有降化，减少层错的产生。因此提高退火时的升温速度可Ｗ抑制ｂｃｃ相有序化??的发生。虽然高的转变湿度会使ＮｂｓＡｌ相获得更佳的化学剂量比，但同时也会使晶粒长??大－使Ｊｃ降低，因此需要权衡热处理温度与Ｊｃ之间的关系，找到最优化的组合??由此，演化出两个改进的民ＨＱＴ工艺，分别是ＴＲＵＱ和ＤＲＨＱ?．Ｉ艺。??
【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 何金江;钟敏霖;刘文今;张红军;;激光沉积制备Nb_3Al基难熔金属间化合物研究[J];航空材料学报;2006年05期

本文编号：2866141