1、NbTi 合金的主要缺陷及形成機制超導(dǎo)材料已廣泛應(yīng)于高技術(shù)領(lǐng)域，NbTi 合金作為一種典型的低溫超導(dǎo)材料，在高技術(shù)領(lǐng)域(高能物理、受控?zé)岷司圩儭δ堋⒋艖腋〉?中占有極其重要的地位，已成為一種不可替代的新材料廣泛應(yīng)用于能源、交通、醫(yī)療、高能物理等重要領(lǐng)域。國際熱核聚變實驗堆(ITER)方案，是目前全球規(guī)模最大的國際科研合作工程之一。由于 NbTi 超導(dǎo)線具有很好的加工性能和高的臨界電流密度，被廣泛應(yīng)用于 ITER 工程中。在 ITER 磁體裝置，既要求 NbTi 線材在高場下有很好的性能，又要求較低的磁滯損耗、高的 RRR 值。因此，制備高均勻性、低雜質(zhì)含量的 NbTi 合金意義重大。Nb 元

2、素的熔點為 2468 ，密度為 8.57 g/cm3，而 Ti 元素的熔點為 1668 ，密度為 4.5 g/cm3。一方面，由于 Nb 元素和 Ti 元素在熔點和密度方面存在的這種較大差異，使得高均勻性 NbTi 合金制備較為困難;另一方面，由于 Ti 的活性較大，獲得低雜質(zhì)含量的 NbTi 合金也具有一定的挑戰(zhàn)性。鑒于上述制備難題，國內(nèi)外不同單位的學(xué)者、專家對 NbTi 合金的熔煉方法進展了廣泛的研究。美國華昌公司(ATI)采用粉冶法：首先將高純 Ti 和高純 Nb 分別制備成 Nb粉和 Ti 粉，然后將 Nb 粉和 Ti 粉混合燒結(jié)組合成電極進展電子束熔煉，最后屢次電弧爐熔煉成合金錠。采

3、用該工藝制備的合金成分均勻，間隙元素含量低，但其工藝復(fù)雜，產(chǎn)品本錢較高，且 NbTi 合金中容易引入 Nb2O5顆粒夾雜，會大大降低材料的性能。日本JASTEC 公司 NbTi 合金的熔煉工藝是采用厚度一樣的Nb 板和 Ti 板交替疊層，焊接成電極，經(jīng)屢次電弧熔煉制備 NbTi 合金錠，這種方法工藝簡便，消費本錢低，但均勻性較差，易出現(xiàn) Nb 不熔塊和 Ti 等缺陷;目前，國內(nèi)部分單位采用自耗熔煉-凝殼爐熔煉的方式消費 NbTi 合金錠。西部超導(dǎo)公司通過數(shù)十年的研究和積累總結(jié)出了一套真空自耗電極熔煉的方式，根本解決了 NbTi 合金中主要的冶金缺陷 Nb 不熔塊的問題。但是在熔煉過程中，由于溶

4、質(zhì)再分配的影響，在NbTi 合金鑄錠中存在低密度元素 Ti 的富集所造成的一系列成分不均勻缺陷，例如黑斑、木紋等，這些缺陷是造成 NbTi 超導(dǎo)線材斷線的另外一個重要原因。本研究首先對 NbTi 超導(dǎo)線材的制備過程中引起斷線的典型缺陷進展描繪，然后對 NbTi 合金中加工流線的形成以及由于溶質(zhì)再分配導(dǎo)致的富 Ti 偏析現(xiàn)象進展了概述，目的為后續(xù)改進 NbTi 合金制備工藝，消除富 Ti 偏析、進步 NbTi 合金成分以及組織均勻性奠定根底。1 實 驗本實驗所采用的 NbTi 合金樣品均為采用真空電弧熔煉(VAR)的520 mm 規(guī)格鑄錠，采用自由鍛加工至140 mm 的棒材。獲得的合金棒材經(jīng)過

5、集束拉伸的方法制備成0.7 mm 的 NbTi 合金線材。部分樣品的分析來自于西部超導(dǎo)公司客戶 JASTEC 的分析。2 結(jié)果與討論2.1 NbTi 超導(dǎo)線材的斷線及其典型缺陷NbTi 超導(dǎo)線材的制備是一個非常復(fù)雜的過程，從鑄錠制備開始到最終線材的完成一般需要花很長時間。NbTi 超導(dǎo)線材的最終成品率及質(zhì)量主要依靠過程控制來完成，而過程控制中最難控制的是 NbTi 合金棒材的質(zhì)量。對于 NbTi 超導(dǎo)合金棒材，最根本的要求是高均勻的 Ti 含量、極低的雜質(zhì)含量、優(yōu)異的塑性性能及優(yōu)良的組織均勻性。一般利用超聲探傷可以發(fā)現(xiàn) NbTi 合金中絕大部分缺陷，例如 Nb 不熔塊及其各種夾雜等冶金缺陷，卻

6、難以發(fā)現(xiàn)偏析等組織缺陷，這些缺陷使 NbTi 超導(dǎo)芯絲加工至 5 餸m 以下時，極易產(chǎn)生斷裂。因此，深化研究 NbTi 合金棒材中的缺陷形成機制，嚴(yán)格控制可能產(chǎn)生缺陷的過程，對于進步超導(dǎo)線材的成品率具有重要的作用。2.2 NbTi 超導(dǎo)合金棒材中的加工流線NbTi 超導(dǎo)合金棒材中加工流線的形成與鍛造過程密不可分。加工流線是鍛造成型的材料中普遍存在的現(xiàn)象，越靠近材料的心部，低倍流線密度越大。金屬鑄錠具有較大的晶粒，晶界處有夾雜物(塑性夾雜物和脆性夾雜物)，晶粒內(nèi)部也有微觀偏析和隨機的成分波動。在變形過程中，由于邊界摩擦的作用，大變形區(qū)與剛性區(qū)之間無明顯的過渡區(qū)，在兩區(qū)之間形成了劇烈的剪切帶。隨著

7、變形的增加，材料內(nèi)部所受應(yīng)力將發(fā)生變化，晶粒內(nèi)部和邊界都會在外加應(yīng)力條件下出現(xiàn)協(xié)調(diào)變形。在變形過程中晶粒沿變形方向被拉長，塑性夾雜物也隨著變形一起被拉長，而脆性夾雜物被打碎呈鏈狀分布最終形成纖維組織。晶內(nèi)點缺陷增加，位錯密度進步，晶格嚴(yán)重畸變。2.3 NbTi 超導(dǎo)合金棒材中的富 Ti 偏析采用掃描電鏡背散射電子(BSE)和能譜(EDS)對NbTi 合金棒材中的暗斑和流線進展了分析和研究。圖6 是 NbTi 合金棒材低倍照片中的暗斑區(qū)域的背散射電子像和能譜結(jié)果。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，暗斑區(qū)域在背散射電子照片中顯示出明顯的襯度，正常區(qū)和異常區(qū)的合金元素能譜分析顯示出 Ti 含量有較大的差異，到達近 6%，說明該區(qū)域發(fā)生了明顯的富 Ti 偏析現(xiàn)象。3 結(jié) 論1) NbTi 合金棒材中的主要缺陷 Nb 不熔塊、富 Ti 偏析和組織不均勻是引起NbTi 超導(dǎo)線材斷線的主要因素。2) NbTi 合金鍛棒上的加工流線和 X-Ray 透射呈現(xiàn)的黑斑和木紋圖像可作為評判 NbTi 合金中的富 Ti偏析的主要標(biāo)志。3) NbTi 合金中的富 T