[合金,缺陷,机制]NbTi合金的主要缺陷及形成机制

NbTi 合金的主要缺陷及形成机制

超导材料已广泛应于高技术领域，NbTi 合金作为一种典型的低温超导材料，在高技术领域(高能物理、受控热核聚变、储能、磁悬浮等)中占有极其重要的地位，已成为一种不可替代的新材料广泛应用于能源、交通、医疗、高能物理等重要领域。国际热核聚变实验堆(ITER)计划，是目前全球规模最大的国际科研合作项目之一。由于 NbTi 超导线具有很好的加工性能和高的临界电流密度，被广泛应用于 ITER 项目中。在 ITER 磁体装置，既要求 NbTi 线材在高场下有很好的性能，又要求较低的磁滞损耗、高的 RRR 值。因此，制备高均匀性、低杂质含量的 NbTi 合金意义重大。

Nb 元素的熔点为 2468 ℃，密度为 8.57 g/cm3，而 Ti 元素的熔点为 1668 ℃，密度为 4.5 g/cm3。一方面，由于 Nb 元素和 Ti 元素在熔点和密度方面存在的这种较大差异，使得高均匀性 NbTi 合金制备较为困难;另一方面，由于 Ti 的活性较大，获得低杂质含量的NbTi 合金也具有一定的挑战性。鉴于上述制备难题，国内外不同单位的学者、专家对NbTi 合金的熔炼方法进行了广泛的研究。美国华昌公司(ATI)采用粉冶法：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 粉混合烧结组合成电极进行电子束熔炼，最后多次电弧炉熔炼成合金锭。采用该工艺制备的合金成分均匀，间隙元素含量低，但其工艺复杂，产品成本较高，且 NbTi 合金中容易引入 Nb2O5颗粒夹杂，会大大降低材料的性能。日本JASTEC 公司 NbTi 合金的熔炼工艺是采用厚度相同的Nb 板和 Ti 板交替叠层，焊接成电极，经多次电弧熔炼制备 NbTi 合金锭，这种方法工艺简便，生产成本低，但均匀性较差，易出现 Nb 不熔块和 Ti 等缺陷;目前，国内部分单位采用自耗熔炼-凝壳炉熔炼的方式生产 NbTi 合金锭。西部超导公司通过数十年的研究和积累总结出了一套真空自耗电极熔炼的方式，基本解决了 NbTi 合金中主要的冶金缺陷 Nb 不熔块的问题。但是在熔炼过程中，由于溶质再分配的影响，在NbTi 合金铸锭中存在低密度元素 Ti 的富集所造成的一系列成分不均匀缺陷，例如黑斑、木纹等，这些缺陷是造成 NbTi 超导线材断线的另外一个重要原因。本研究首先对 NbTi 超导线材的制备过程中引起断线的典型缺陷进行描述，然后对NbTi 合金中加工流线的形成以及由于溶质再分配导致的富Ti 偏析现象进行了概述，目的为后续改进 NbTi 合金制备工艺，消除富 Ti 偏析、提高 NbTi 合金成分以及组织均匀性奠定基础。

1 实验

本实验所采用的 NbTi 合金样品均为采用真空电弧熔炼(VAR)的520 mm 规格铸锭，采用自由锻加工至140 mm 的棒材。获得的合金棒材经过集束拉伸的方法制备成0.7 mm 的 NbTi 合金线材。部分样品的分析来自于西部超导公司客户 JASTEC 的分析。

2 结果与讨论

2.1 NbTi 超导线材的断线及其典型缺陷

NbTi 超导线材的制备是一个非常复杂的过程，从铸锭制备开始到最终线材的完成一般需要花很长时间。NbTi 超导线材的最终成品率及质量主要依靠过程控制来完成，而过程控制中最难控制的是 NbTi 合金棒材的质量。对于 NbTi 超导合金棒材，最基本的要求是高均匀的 Ti 含量、极低的杂质含量、优异的塑性性能及优良的组织均匀性。一般利用超声探伤可

以发现 NbTi 合金中绝大部分缺陷，例如 Nb 不熔块及其各种夹杂等冶金缺陷，却难以发现偏析等组织缺陷，这些缺陷使 NbTi 超导芯丝加工至 5 ?m 以下时，极易产生断裂。因此，深入研究 NbTi 合金棒材中的缺陷形成机制，严格控制可能产生缺陷的过程，对于提高超导线材的成品率具有重要的作用。

2.2 NbTi 超导合金棒材中的加工流线

NbTi 超导合金棒材中加工流线的形成与锻造过程密不可分。加工流线是锻造成型的材料中普遍存在的现象，越靠近材料的心部，低倍流线密度越大。

金属铸锭具有较大的晶粒，晶界处有夹杂物(塑性夹杂物和脆性夹杂物)，晶粒内部也有微观偏析和随机的成分波动。在变形过程中，由于边界摩擦的作用，大变形区与刚性区之间无明显的过渡区，在两区之间形成了剧烈的剪切带。随着变形的增加，材料内部所受应力将发生变化，晶粒内部和边界都会在外加应力条件下出现协调变形。在变形过程中晶粒沿变形方向被拉长，塑性夹杂物也随着变形一起被拉长，而脆性夹杂物被打碎呈链状分布最终形成纤维组织。晶内点缺陷增加，位错密度提高，晶格严重畸变。

2.3 NbTi 超导合金棒材中的富 Ti 偏析

采用扫描电镜背散射电子(BSE)和能谱(EDS)对NbTi 合金棒材中的暗斑和流线进行了分析和研究。图6 是 NbTi 合金棒材低倍照片中的暗斑区域的背散射电子像和能谱结果。从图中可以发现，暗斑区域在背散射电子照片中显示出明显的衬度，正常区和异常区的合金元素能谱分析显示出 Ti 含量有较大的差别，达到近 6%，说明该区域发生了明显的富 Ti 偏析现象。

3 结论

1) NbTi 合金棒材中的主要缺陷 Nb 不熔块、富 Ti 偏析和组织不均匀是引起NbTi 超导线材断线的主要因素。

2) NbTi 合金锻棒上的加工流线和 X-Ray 透射呈现的黑斑和木纹图像可作为评判 NbTi 合金中的富 Ti偏析的主要标志。

3) NbTi 合金中的富 Ti 偏析实质上是一种通道偏析。

4) NbTi 合金中的通道偏析是由于较轻的溶质元素 Ti 上浮导致的沟槽效应和补缩过程中的柱状晶隧道堵塞造成的。