CN113122744A

CN113122744A - 一种粉末冶金制备NbTi基超导材料的方法

Info

Publication number: CN113122744A
Application number: CN202110416823.2A
Authority: CN
Inventors: 王庆相; 李鑫; 朱振; 赖运金; 梁书锦; 张平祥
Original assignee: Xi'an Sino Euro Materials Technologies Co ltd
Current assignee: Xi'an Sino Euro Materials Technologies Co ltd
Priority date: 2021-04-19
Filing date: 2021-04-19
Publication date: 2021-07-16

Abstract

本发明公开了一种粉末冶金制备NbTi基超导材料的方法，包括以下步骤：步骤1：将NbTi金属粉末与纯金属异形粉末混合，共同置于V形混料机内，通入氩气后混合均匀；步骤2：将混合均匀的金属粉末装入冷等静压专用包套，除气并且振实后密封，进行冷压成型，得到压坯；步骤3：将压坯置于真空烧结炉内烧结，并保温；步骤4：保温结束后，关闭加热系统，冷却至低温并保温，保温结束后，随炉冷却，得到NbTi基超导材料。

Description

一种粉末冶金制备NbTi基超导材料的方法

技术领域

本发明属于有色金属粉末制备技术领域，具体涉及一种粉末冶金制备NbTi基超导材料的方法。

背景技术

NbTi合金超导体是目前运用最广泛的超导材料，工作在液氦温度下，属于低温超导体。含钛量在46-50wt%的NbTi合金表现出很好的机械加工性能和超导性能，其长度可达万米。高临界电流密度是NbTi超导线材应用的基础，其大小由钉扎中心决定，传统工艺加工的NbTi超导线中的钉扎中心是在复合体时效过程中析出的，并在拉拔过程中变为条带状的α-Ti，为了进一步提高钉扎力和临界电流密度，可引入更加有效的钉扎中心。目前，作为钉扎中心的材料有Ti、Ta、Nb、Ni、Fe和NbTa合金等，目前引入人工钉扎的方法包括：棒基法(Rod-based designs)、钻孔法(Gun-drilled designs)、扩散法(Diffused-layer APCcomposites)、卷筒法(Jelly-roll APC composites)。

但是，由于目前所采用的方法主要还是引入合金棒材和箔材为主，其成分均匀性会受到很大的限制，同时引入的钉扎在后续加工过程中还容易产生不均匀破碎，较大的颗粒会导致芯丝发生断裂，从而降低钉扎力和临界电流密度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种粉末冶金制备NbTi基超导材料的方法，克服了现有技术中的缺陷。

为了解决技术问题，本发明的技术方案是：一种粉末冶金制备NbTi基超导材料的方法，包括以下步骤：

步骤1：将NbTi金属粉末与纯金属异形粉末混合，共同置于V形混料机内，通入氩气后混合均匀；

步骤2：将混合均匀的金属粉末装入冷等静压专用包套，除气并且振实后密封，进行冷压成型，得到压坯；

步骤3：将压坯置于真空烧结炉内烧结，并保温；

步骤4：保温结束后，关闭加热系统，冷却至低温并保温，保温结束后，随炉冷却，得到NbTi基超导材料。

优选的，所述步骤1中NbTi金属粉末的尺寸为50~150微米，NbTi金属粉末为高球形度并且纯度高于99.9%。

优选的，所述步骤1中NbTi金属粉末的质量占比为95~98%，纯金属异形粉末的质量占比为2~5%。

优选的，所述步骤1中纯金属异形粉末为Ta、Ni或Fe粉粒，Ta、Ni和Fe粉粒的尺寸为0.5~1.5微米，纯度高于99.9%，所述纯金属异形粉末的形状为非球形。

优选的，所述步骤1中氩气纯度大于99.99%。

优选的，所述步骤2中冷压成型的压制压力为120~150MPa，保压时间为3~8min。

优选的，所述步骤3中真空烧结炉的烧结温度为1250~1350℃，保温时间为3~5h。

优选的，所述步骤4中冷却至400℃时，保温40~80h，保温结束后，随炉冷却，得到NbTi基超导材料。

相对于现有技术，本发明的优点在于：

（1）本发明提供了一种粉末冶金制备NbTi基超导材料的方法，采用高纯度的NbTi金属球形粉末和细粒径的金属粉末充分的混合，通过冷等静压成型+烧结的工艺制备高均匀性NbTi基超导材料，人工添加的钉扎材料均匀分布，在后续的超导线材加工过程中，能够实现均匀变形及破碎，有效提高钉扎力和临界电流密度；

（2）本发明通过NbTi金属球形粉末与纯金属异形粉末如Ta、Ni和Fe粉粒混合后，采用低成本粉末冶金法获得成分均匀的人工钉扎NbTi基超导材料；

（3）本发明通过引入细粒径的人工钉扎材料，能够显著提高NbTi超导材料的临界电流密度，减少断芯断线率，提高材料的利用率，降低生产成本。

附图说明

图1、本发明实施例4和5的Nb47Ti金属球形粉末形貌；

图2、本发明实施例4和5的纯金属Ta粉末形貌；

图3、本发明实施例4和5的NbTiTa合金超导材料的组织形貌；

图4、本发明对比例1扩散法制备的NbTiTa合金超导材料的组织形貌；

图5、本发明对比例2的NbTi超导材料的组织形貌。

具体实施方式

下面结合实施例和附图描述本发明具体实施方式：

需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

下面结合附图和具体实施示例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本发明公开了一种粉末冶金制备NbTi基超导材料的方法，包括以下步骤：

步骤3：将压坯置于真空烧结炉内烧结，并保温；

实施例2

优选的，所述步骤1中NbTi金属粉末的质量占比95~98%，纯金属异形粉末的质量占比2~5%。

优选的，所述步骤1中纯金属异形粉末为Ta、Ni或Fe粉粒，Ta、Ni和Fe粉粒的尺寸为0.5~1.5微米，纯度高于99.9%。

优选的，所述步骤1中氩气纯度大于99.99%。

实施例3

优选的，所述步骤3中真空烧结炉烧结温度为1250~1350℃，保温时间为3~5h。

实施例4

步骤1）将Nb47Ti金属球形粉末和纯金属Ta粉末混合，其中Nb47Ti金属球形粉末的质量占比97%，纯金属Ta粉末的质量占比3%，共同置于V形混料机内，通入氩气后混合均匀，氩气纯度大于99.99%；

步骤2）将混合均匀的金属粉末装入冷等静压专用包套后除气密封，进行冷压成型，压制压力大于120MPa，保压时间大于3min，得到压坯；

步骤3）将压坯置于真空烧结炉内烧结，烧结温度1350℃，保温3h；

步骤4）1350℃保温时间结束后，关闭加热系统，待冷却到400℃时，保温40h，保温结束后，随炉冷却。

实施例5

步骤1）将Nb47Ti金属球形粉末和纯金属Ta粉末混合，其中Nb47Ti金属球形粉末的质量占比95%，纯金属Ta粉末的质量占比5%，共同置于V形混料机内，通入氩气后混合均匀，氩气纯度大于99.99%；

步骤2）将混合均匀的金属粉末装入冷等静压专用包套后除气密封，进行冷压成型，压制压力大于130MPa，保压时间大于3min，得到压坯；

步骤4）1350℃保温时间结束后，关闭加热系统，待冷却到400℃时，保温80h，保温结束后，随炉冷却。

实施例6

步骤1）将NbTi金属球形粉末和纯金属Fe粉末混合，其中NbTi金属球形粉末的质量占比96%，纯金属Fe粉末的质量占比4%，共同置于V形混料机内，通入氩气后混合均匀，氩气纯度大于99.99%；

步骤3）将压坯置于真空烧结炉内烧结，烧结温度1300℃，保温3h；

步骤4）1300℃保温时间结束后，关闭加热系统，待冷却到400℃时，保温40h以上，保温结束后，随炉冷却。

实施例7

步骤1）将NbTi金属球形粉末和纯金属Ni粉末，其中NbTi金属球形粉末的质量占比98%，纯金属Ni粉末的质量占比2%，共同置于V形混料机内，通入氩气后混合均匀，氩气纯度大于99.99%；

步骤2）将混合均匀的金属粉末装入冷等静压专用包套后除气密封，进行冷压成型，压制压力为140MPa，保压时间大于3min，得到压坯；

步骤3）将压坯置于真空烧结炉内烧结，烧结温度1250℃，保温3h；

步骤4）1250℃保温时间结束后，关闭加热系统，待冷却到400℃时，保温40h以上，保温结束后，随炉冷却。

对比例1

利用常规Ta扩散法制备的NbTiTa合金超导材料。

对比例2

步骤1）将NbTi金属球形粉末置于V形混料机内，通入氩气后混合均匀，氩气纯度大于99.99%；

步骤2）将NbTi金属球形粉末装入冷等静压专用包套后除气密封，进行冷压成型，压制压力大于120MPa，保压时间大于3min，得到压坯；

将实施例4和5的Nb47Ti金属球形粉末和纯金属Ta粉末进行电镜扫描，并获得实施例4和5的NbTiTa合金超导材料和对比例1和2的组织形貌，所述电镜扫描和组织形貌的获得方法属于现有技术，本发明不再赘述。

如图1~4所示，图1为Nb47Ti金属球形粉末的扫描电镜照片，图2为纯金属Ta粉末的扫描电镜照片，图3为实施例4和5的NbTiTa合金超导材料的组织形貌，图4为采用常规Ta扩散法制备的NbTiTa合金超导材料的组织形貌，图5为对比例2的NbTi超导材料的组织形貌。可以看出，采用本发明方法制备的NbTiTa合金中，各成分均匀分布，尤其是Ta元素以细小颗粒形式存在，有利于后续的加工；而采用常规扩散法制备的NbTiTa合金中三种成分分布不均匀，需要经过长时间的扩散才能部分均匀化，并且在后续的加工过程中，其容易发生断芯现象，降低钉扎的效果。

本发明原理如下：

本发明采用高纯度的NbTi金属球形粉末和细粒径异形的金属粉末充分的混合，通过冷等静压成型+烧结的工艺制备高均匀性NbTi基超导材料，人工添加的钉扎材料均匀分布，在后续的超导线材加工过程中，能够实现均匀变形及破碎，有效提高钉扎力和临界电流密度。

本发明通过NbTi金属球形粉末与纯金属异形粉末如Ta、Ni和Fe粉粒混合后，采用低成本粉末冶金法获得成分均匀的人工钉扎NbTi基超导材料。

本发明通过引入细粒径的人工钉扎材料，能够显著提高NbTi超导材料的临界电流密度，减少断芯断线率，提高材料的利用率，降低生产成本。

本发明制备方法简单、易于操作，可进行大批量生产。

上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims

1.一种粉末冶金制备NbTi基超导材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤3：将压坯置于真空烧结炉内烧结，并保温；

2.根据权利要求1所述的一种粉末冶金制备NbTi基超导材料的方法，其特征在于：所述步骤1中NbTi金属粉末的尺寸为50~150微米，NbTi金属粉末为高球形度并且纯度高于99.9%。

3.根据权利要求1所述的一种粉末冶金制备NbTi基超导材料的方法，其特征在于：所述步骤1中NbTi金属粉末的质量占比为95~98%，纯金属异形粉末的质量占比为2~5%。

4.根据权利要求1所述的一种粉末冶金制备NbTi基超导材料的方法，其特征在于：所述步骤1中纯金属异形粉末为Ta、Ni或Fe粉粒，Ta、Ni和Fe粉粒的尺寸为0.5~1.5微米，纯度高于99.9%，所述纯金属异形粉末的形状为非球形。

5.根据权利要求1所述的一种粉末冶金制备NbTi基超导材料的方法，其特征在于：所述步骤1中氩气纯度大于99.99%。

6.根据权利要求1所述的一种粉末冶金制备NbTi基超导材料的方法，其特征在于：所述步骤2中冷压成型的压制压力为120~150MPa，保压时间为3~8min。

7.根据权利要求1所述的一种粉末冶金制备NbTi基超导材料的方法，其特征在于：所述步骤3中真空烧结炉的烧结温度为1250~1350℃，保温时间为3~5h。

8.根据权利要求1所述的一种粉末冶金制备NbTi基超导材料的方法，其特征在于：所述步骤4中冷却至400℃时，保温40~80h，保温结束后，随炉冷却，得到NbTi基超导材料。