Производство проволоки из ниобиево-титанового сплава
Производство проволоки из ниобиево-титанового сплава — это высокотехнологичный и высокоточный производственный процесс, направленный на переработку этого сплава, обладающего уникальными сверхпроводящими свойствами, в микропроволоки, отвечающие потребностям передовых областей, таких как медицина, научные исследования и крупномасштабные научно-технические проекты.
Производство начинается с легирования высокочистого ниобия (Nb) и титана (Ti). Для предотвращения окисления реактивного металла при высоких температурах плавка должна проводиться в вакууме, часто с использованием магнитной левитации или вакуумной дуговой переплавки (VAR). Для обеспечения чрезвычайно однородного состава этот процесс обычно повторяется 2–3 раза, в конечном итоге образуя точно сформированный слиток сплава. Содержание титана обычно колеблется от 20% до 66% (массовая доля), при типичном соотношении 53% ниобия и 47% титана. После плавки слиток подвергается гомогенизирующей обработке при температуре приблизительно 1100-1300℃ в течение нескольких часов для устранения сегрегации элементов.
Крупные зерна в слитке необходимо измельчить и очистить методом горячей обработки. Ковка включает нагрев слитка до 1100-1200℃ для ковки, первоначальное измельчение зерен и обработку его в заготовку диаметром приблизительно 50-60 мм. Затем следует высокотемпературная прокатка с контролируемой деформацией 15-20% за проход, дополненная промежуточным отжигом при 900-1000℃, в результате чего получается заготовка диаметром менее 6 мм.
Это важнейший и уникальный этап в производстве многожильных сверхпроводящих проводов. Для получения конечного сверхпроводящего филамента необходимо скомпоновать сплав NbTi с высокопроводящим и стабильным металлом (например, бескислородной медью или медно-никелевым сплавом). Основная идея заключается в сборке стержней NbTi и меди (или медных сплавов) в композитную оболочку в соответствии со специфической структурой (например, путем встраивания нескольких стержней NbTi в медную матрицу). Этот этап закладывает основу для последующего получения проводов с чрезвычайно тонкими сверхпроводящими сердечниками.
Собранный композитный слиток постепенно уменьшается в размерах до конечного диаметра путем непрерывной экструзии и вытяжки. Горячая вытяжка включает нагрев заготовки до 900-1000℃ и ее вытяжку с деформацией 10–15% за проход, что позволяет получить проволоку диаметром менее 1 мм. Холодная вытяжка и промежуточный отжиг: дальнейшая вытяжка проводится при комнатной температуре, при этом деформация контролируется на уровне 5–10% за проход. Когда суммарная деформация достигает 40–50%, проводится промежуточный отжиг в вакууме при 600–700℃ для устранения упрочнения и восстановления пластичности материала. Термическая обработка старением является заключительным этапом повышения сверхпроводимости. Выдерживая при определенной температуре (например, 450℃), в сплав можно ввести множество мелких микроструктурных дефектов. Эти дефекты действуют как «центры закрепления», эффективно улучшая способность материала проводить сверхпроводящий ток в магнитном поле.
Полученная проволока из ниобиево-титанового сплава может достигать диаметра 0,3 мм или даже меньше, с критической температурой сверхпроводящего перехода приблизительно 9,5 К (приблизительно -263,65℃). Благодаря отличной обрабатываемости и сверхпроводящим свойствам, она широко используется в производстве магнитов для таких устройств, как магнитно-резонансная томография (МРТ), ядерный магнитный резонанс (ЯМР), ускорители частиц и экспериментальные реакторы ядерного синтеза (например, ITER). Например, с помощью специальных процессов ее критическая плотность тока может достигать 3804 А/мм² в магнитном поле 4,2 К, 4 Тл.