1、NbTi 合金的主要缺陷及形成機制超導材料已廣泛應于高技術領域，NbTi 合金作為一種典型的低溫超導材料，在高技術領域(高能物理、受控熱核聚變、儲能、磁懸浮等)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用于能源、交通、醫療、高能物理等重要領域。國際熱核聚變實驗堆(ITER)方案，是目前全球規模最大的國際科研合作工程之一。由于 NbTi 超導線具有很好的加工性能和高的臨界電流密度，被廣泛應用于 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，獲得低雜質含量的 NbTi 合金也具有一定的挑戰性。鑒于上述制備難題，國內外不同單位的學者、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，但其工藝復雜，產品本錢較高，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 Nb 不熔塊和 Ti 等缺陷;目前，國內部分單位采用自耗熔煉-凝殼爐熔煉的方式消費 NbTi 合金錠。西部超導公司通過數十年的研究和積累總結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 超導線材斷線的另外一個重要原因。本研究首先對 NbTi 超導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再分配導致的富 Ti 偏析現象進展了概述，目的為后續改進 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 規格鑄錠，采用自由鍛加工至140 mm 的棒材。獲得的合金棒材經過

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公司客戶 JASTEC 的分析。2 結果與討論2.1 NbTi 超導線材的斷線及其典型缺陷NbTi 超導線材的制備是一個非常復雜的過程，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 超導線材的最終成品率及質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 合金棒材的質量。對于 NbTi 超導合金棒材，最根本的要求是高均勻的 Ti 含量、極低的雜質含量、優異的塑性性能及優良的組織均勻性。一般利用超聲探傷可以發現 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、難以發現偏析等組織缺陷，這些缺陷使 NbTi 超導芯絲加工至 5 餸m 以下時，極易產生斷裂。因此，深化研究 NbTi 合金棒材中的缺陷形成機制，嚴格控制可能產生缺陷的過程，對于進步超導線材的成品率具有重要的作用。2.2 NbTi 超導合金棒材中的加工流線NbTi 超導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，大變形區與剛性區之間無明顯的過渡區，在兩區之間形成了劇烈的剪切帶。隨著

7、變形的增加，材料內部所受應力將發生變化，晶粒內部和邊界都會在外加應力條件下出現協調變形。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。晶內點缺陷增加，位錯密度進步，晶格嚴重畸變。2.3 NbTi 超導合金棒材中的富 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域的背散射電子像和能譜結果。從圖中可以發現，暗斑區域在背散射電子照片中顯示出明顯的襯度，正常區和異常區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%，說明該區域發生了明顯的富 Ti 偏析現象。3 結 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偏析的主要標志。3) NbTi 合金中的富 T