机械合金化Nb-Al非平衡相中Nb3Al超导体析出机理研究

Due to with excellent Tc, Hc2 and Jc properties as well as good strain-stress tolerance, Nb3Al superconductor is thought as a very promising candidate at the high-field superconducting magnets application. However, because of its phase formation conditions limit, Nb3Al superconductor with good performance must be prepared by the rapid heating and quenching approach up to 2000 ℃ for obtaining metastable Nb(Al)ss supersaturated solid solution with fine grains, and then Nb3Al phase precipitates after a low-temperature heat-treatment. In this project, it was proposed to develop high-performance Nb3Al wires by using mechanical alloying method to make metastable Nb-Al nonequilibrium phase and with the powder-in tube and low-temperature annealing process. By our previous efforts, the first mechanical-alloyed Nb3Al superconducting wire was successfully fabricated; but since the formation mechnism of Nb3Al phase kept unknown,its superconducting propeties was still low. Therefore, this project aims to clarify the microstructure evolution process of metastable Nb-Al nonequilibrium phase and the precipitation mechanism of Nb3Al superconducting phase by high-resolution transmission electron microscope and in-situ neutron diffraction method,and also researches the role of the added alloying-elements in adjusting the precipitation mechanism of Nb3Al phase and grains-connectivity and flux pinning of Nb3Al superconductor. This work will offer the possibility to solve the key fundamental scientific problems, which are confining the mechanical alloying way to develop the high-performance Nb3Al superconducting wires.

与Nb3Sn相比，Nb3Al具有非常高的超导转变温度、上临界场和临界电流密度，以及优良的应力-应变容许特性，因此在高场超导磁体应用上有着巨大潜力。由于成相条件苛刻，目前高性能Nb3Al超导体须通过2000℃快热快冷得到晶粒细小的非平衡Nb(Al)ss过饱和固溶体，以及低温退火获得。本项目提出利用机械合金化制备Nb-Al非平衡相，结合粉末装管法和低温热处理制备Nb3Al线材路线。通过前期研究，我们成功制备了首根机械合金化Nb3Al超导线材，但由于缺乏对Nb3Al相形成过程研究，制备的超导体性能仍然较低。因此，本项目拟利用高分辨透射电镜和原位中子衍射等手段，开展机械合金化过程中Nb-Al非平衡相微观结构演变规律以及Nb3Al超导相析出机理的研究；并通过合金元素添加调节Nb3Al相的析出，以及超导体的晶粒连接和磁通钉扎机制；解决机械合金化手段制备高性能Nb3Al超导材料过程中的关键基础科学问题。

Nb3Al超导线材是未来磁约束聚变堆高场磁体应用的关键基础材料，但是由于制备工艺复杂、成品率不高，目前仍然还没有实现批量化制备。本项目在国内首次开展高性能实用化Nb3Al超导线材研究，经过多年的努力，主要研究内容及取得的成果如下：. （1）在国际上首次提出并开展了机械合金化方法制备Nb3Al超导线材的研究，利用机械合金化和粉末装管法，成功制备出第1根高能球磨Nb3Al超导线材，该线材在4.2K、12T下，临界电流密度达到10, 000 A/cm2；同时开展了热压烧结机械合金化Nb3Al超导体研究，临界电流性能比常压下样品提高了近一个量级。. （2）在国内首次开展套管法和卷绕法两种Nb3Al前驱体导线的研究，成功制备出百米量级的卷绕法Nb3Al前驱体线材；该导线经扩散热处理后，在4.2 K、12 T下，临界电流密度达到67, 000 A/cm2；该性能与国际上同类线材性能类似；. （3）利用自主研制的超导线材，完成国内第1个Nb3Al超导内插磁体的研制，在14T背景磁场下，该超导磁体励磁后，中心磁场强度达到15.2 T；. （4）自主设计开发了国内首台套"reel-to-reel”的Nb3Al长线高温急热急冷（RHQ）热处理装备（目前该设备在西南交大超导中心）；利用自主研制的Nb3Al短样RHQ热处理装置，完成套管法和卷绕法Nb3Al超导线材的高温急热急冷热处理工艺研究，获得Nb3Al线材超导转变温度Tc达到18.0 K，上临界磁场Hc2（0）达到29.7 T。线材样品的超导转变温度最高达到18.0 K，临界电流密度Jc在4.2 K、15T下达到846 A/mm2。上述研究成果均为国内首创，并达到了国际先进水平。. 本课题在项目执行期间，共计在国内外期刊发表论文21篇，其中SCI收录15篇；申请国家发明专利11项，已授权10项，形成技术总结报告一份，全面完成了国家自然科学基金申请书中规定的技术指标要求。