實(shí)用化Nb3Al超導(dǎo)材料的制備及性能的優(yōu)化研究.pdf

1、地球上的能量，無論是以礦石燃料、風(fēng)力、水力還是動植物的形式儲存起來的，最終的來源都是太陽:而太陽的能量則是來源于核聚變，因此，人類如果掌握了有序地釋放核聚變的能量的辦法，就等于掌握了太陽的能量來源。目前，國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計劃(ITER)將采用全超導(dǎo)可控磁約束熱核聚變能（托卡馬克）發(fā)電技術(shù)使這一理想得以實(shí)現(xiàn)。Nb3Sn和NbTi超導(dǎo)材料已經(jīng)應(yīng)用于制備托卡馬克磁體，而在未來的聚變示范堆乃至商用堆中，對超導(dǎo)磁體磁場強(qiáng)度、超導(dǎo)線圈應(yīng)力應(yīng)變?nèi)菰S

2、特性有更高的要求。作為替代Nb3Sn和NbTi超導(dǎo)材料的下一代超導(dǎo)體材料Nb3Al，其實(shí)用化還有很多工作要做。與同為Al5金屬間化合物的Nb3Sn不同，Nb3Al不能采用Nb-Sn-Cu低溫擴(kuò)散熱處理的方法得到。要獲得高性能的Nb3Al超導(dǎo)線材必須在2000℃進(jìn)行熱處理，并且升溫和保溫時間要盡量短以防止晶粒長大。因此，以下兩方面問題是目前制約Nb3Al超導(dǎo)體實(shí)用化的主要因素:一方面是Nb3Al前驅(qū)線的制備工藝，為使線材在快速升溫淬火冷卻

3、(RHQ)工藝中完全反應(yīng)，就需要控制線材和超導(dǎo)芯絲的尺寸，即使在低于2000℃的溫度進(jìn)行長時間的擴(kuò)散熱處理，也要使Nb-Al間的擴(kuò)散距離小于1μm，這就增加了線材的加工難度;另一方面，如果Nb3Al線材的熱處理過程要在2000℃時淬火，熱處理設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，淬火過程也可能使線材在熱應(yīng)力的作用下發(fā)生斷裂，線材表面受淬火劑Ga污染后也增加了包覆Cu穩(wěn)定層的難度，以上兩方面都制約了Nb3Al超導(dǎo)長線的制備。本文首次系統(tǒng)的研究了由機(jī)械合金化方法制

4、備的過飽和固溶體Nb(Al)ss向Nb3Al相轉(zhuǎn)變的熱動力學(xué)過程，優(yōu)化了機(jī)械合金化制備Nb3Al超導(dǎo)體的工藝，并探索了利用機(jī)械合金化粉末作為原位粉末裝管法(in-situ PIT)原料制備Nb3Al超導(dǎo)線材的可行性;另外，本文還首次詳細(xì)的研究了Nb-Al擴(kuò)散過程中的成相規(guī)律，研究了采用不同原材料，導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和加工工藝對套管(RIT)法制備的Nb3Al前驅(qū)體線材機(jī)械性能的影響，提出了改進(jìn)制備工藝的措施，通過熱處理得到了具備超導(dǎo)性能的Nb3A

5、l超導(dǎo)線材。
　　采用固相燒結(jié)和差示掃描量熱法(DSC)等研究手段，對機(jī)械合金化制備的過飽和固溶體Nb(Al向Nb3Al相轉(zhuǎn)變的過程進(jìn)行了熱動力學(xué)研究，800℃的熱處理溫度即滿足轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)要求，當(dāng)溫度升高到1000℃時，Nb3Al相會分解為Nb2Al相;轉(zhuǎn)變過程中較小的活化能且隨反應(yīng)進(jìn)程減小的特點(diǎn)意味著發(fā)生轉(zhuǎn)變反應(yīng)的勢壘較小，該反應(yīng)較容易發(fā)生，Nb3Al晶體的形核和長大都很容易。通過對球磨時間、球磨過程中的球粉比、Nb-Al原料

6、配比、以及熱處理溫度的優(yōu)化，最終得到純度很高但結(jié)構(gòu)并不致密的Nb3Al超導(dǎo)體，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可以達(dá)到15.8 K，而熱處理溫度只需要800℃。
　　基于上述的研究結(jié)果，本文分別以機(jī)械合金化粉末和直接混合的Nb-Al粉末為原料采用in-situ PIT法制各了Nb3Al超導(dǎo)線帶材，對比了二者在性能和結(jié)構(gòu)上的差異。實(shí)驗(yàn)以及分析結(jié)果顯示，由于其高于Cu熔點(diǎn)的熱處理溫度以及反應(yīng)后芯絲內(nèi)留下的大量孔洞，直接混合的Nb-Al粉末不適于大規(guī)模應(yīng)

7、用于制備Nb3Al超導(dǎo)線帶材;麗采用機(jī)械合金化粉末制備的Nb3Al線材在4.2 K，6T時Jc可以達(dá)到103 A/cm2，與采用快速升溫-淬火-轉(zhuǎn)變(RHQT)方法熱處理得到的in-situ PIT Nb3Al線材性能相近。如果能通過復(fù)合成多芯線的方式增加線帶材中復(fù)合組元的變形量，使芯絲更致密，改善線帶材中超導(dǎo)芯絲疏松多孔的結(jié)構(gòu)，從而提高其載流性能，那么將機(jī)械合金化得到的固溶體粉末應(yīng)用于in-situ PIT方法制備Nb3Al超導(dǎo)線將具

8、有良好應(yīng)用前景。
　　另外，本文還探索了RIT法制備Nb3Al超導(dǎo)線材的工藝，首先通過對Nb-Al擴(kuò)散演變過程的研究，得到了Nb-Al間的擴(kuò)散成相規(guī)律以及影響擴(kuò)散成相過程的因素;選用的Cu包套層的厚度，Nb基體和Al芯加工性能的差異都是制約制備長Nb3Al前驅(qū)線的因素，通過在Al芯中添加Mg元素改善了Nb-Al兩種金屬加工性能的差異;采用輥模拉伸+孔型軋制+復(fù)合組裝+熱擠壓+拉伸的加工方式制備了156芯束狀導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的Nb3Al前驅(qū)