一种超导用NbTiTa合金铸锭的制备方法与流程

本发明涉及涉及有色金属加工，特别是涉及一种超导用nbtita合金铸锭的制备方法。

背景技术：

1、自1911年荷兰物理学家k.昂纳斯发现超导性质后，现已发现了数十种金属和近4000种合金和化合物均有超导性。自超导性发现以来，超导技术高速发展，目前已广泛应于高能物理、受控热核聚变、储能、磁悬浮、核磁共振等高科技领域。超导材料是超导技术的基础，超导技术的应用范围和适用程度均与超导材料密切相关。nbti合金由于其较高的力学性能和优异的超导性能，是目前使用最为广泛的超导材料。根据自旋轨道散射速率正比与合金平均原子数的四次方关系，在nbti二元合金的基础上添加原子量大的ta元素，可大幅度的提高其超导性能。

2、nbtita合金中ta元素熔点高达3017℃，密度高达16.60g/cm3，nb元素熔点高达2469℃，密度高达8.57g/cm3，而活性金属ti的熔点仅为1668℃，密度仅4.50g/cm3，三种元素的熔点、密度差异相差大，在真空自耗电弧熔炼时极易产生ta、nb不熔块，铸锭制备技术难度极大。在制备含难熔元素钛合金时，通常的方式是通过粉末冶金法或熔炼法先制备中间合金，然后再制备含难熔元素钛合金。但是，采用粉末冶金法制备中间合金存在杂质元素难以控制的问题，材料的纯净性较差，成品较高的问题；而采用传统的熔炼法制备中间合金屑，一方面，由于ta元素熔点远高于ti元素，中间合金中的钽不熔块风险较大；另一方面，由于合金中ta、nb元素含量高，添加中间合金屑的比例过大时，容易在熔炼过程中发生掉块现象，冶金风险大。

技术实现思路

1、为解决上述背景技术中存在的至少一种问题，本发明提供一种超导用nbtita合金铸锭的制备方法。

2、本发明实施例提供的一种超导用nbtita合金铸锭的制备方法，包括如下五个步骤：

3、步骤一：将铌粉和钽粉按照重量比nb:ta＝4:1混合，混合后等静压制、真空烧结得到nbta烧结棒材，nbta烧结棒材经2次真空电子束熔炼得到nb25ta铸锭；将nb25ta铸锭加热至300℃保温2h以上，采用多道次、小道次变形量的锻造方法进行锻造，得到预设尺寸的nb25ta棒材；

4、步骤二：根据nb25ta棒材的实测成分确定nbtita合金的原材料，nbtita合金的原材料至少包括：nb25ta棒材、海绵钛、tita混合粉或tinb混合粉；

5、步骤三：海绵钛与tita混合粉或tinb混合粉布料后压制形成钛电极块，钛电极块的上表面中线处成型有贯穿其相对两侧端的凹槽；

6、步骤四：将多块钛电极块和nb25ta棒材组装焊接形成棒状的自耗电极，焊接方式为非钨极氩气保护焊接；

7、步骤五：将自耗电极进行三次真空自耗电弧熔炼，得到nbtita合金铸锭。

8、进一步地，上述一种超导用nbtita合金铸锭的制备方法中，步骤一中将铌粉和钽粉按照重量比nb:ta＝4:1混合，包括：在三维混料器中进行混合，混合时间为5至10h；混合后等静压制的静压压制强度为120至200mpa，保压时间为1至10min；真空烧结温度为1300至1800℃，保温时间为3至15h。

9、进一步地，上述一种超导用nbtita合金铸锭的制备方法中，步骤一中nbta烧结棒材经2次真空电子束熔炼得到nb25ta铸锭的条件为熔炼前真空小于10-2pa，输入功率为180至300kw。

10、进一步地，上述一种超导用nbtita合金铸锭的制备方法中，步骤二中的tita混合粉中ti粉为ta粉的1.5倍，tinb混合粉中ti粉为nb粉的1.5倍；ti粉和ta粉混合得到tita混合粉是在v型混料器内混合2h得到的，ti粉和nb粉混合得到tinb混合粉是在v型混料器内混合2h得到的。

11、进一步地，上述一种超导用nbtita合金铸锭的制备方法中，步骤三中海绵钛与tita混合粉或tinb混合粉布料后压制形成钛电极块，包括：

12、将60％的海绵钛倒入模腔中，随后将少量粉末均匀撒至中间，最后将剩余40％海绵钛倒入，使用油压机压制形成钛电极块，油压机压制的压力强度为25至28mpa。

13、进一步地，上述一种超导用nbtita合金铸锭的制备方法中，步骤四中将多块钛电极块和nb25ta棒材组装焊接形成棒状的自耗电极，包括：

14、将多块钛电极块依次排列布料形成长条状的凹槽，将nb25ta棒材放置在长条状的凹槽中，再在排列好的钛电极块上覆盖与之对应的钛电极块，形成nb25ta棒材外周面上包裹钛电极块的结构，对组装好的钛电极块及nb25ta棒材进行焊接形成自耗电极；

15、其中，焊接的条件为抽真空至10pa以下，充氩气至50000pa。

16、进一步地，上述一种超导用nbtita合金铸锭的制备方法中，步骤五中三次真空自耗电弧熔炼中第一次熔炼中采用的结晶器规格为φ360mm，熔炼前真空度≤5.0pa，漏气率≤1.2pa/min，熔炼电压为30至40v，熔炼电流为8至30ka，稳弧电流采用直流3至18a，熔炼后冷却时间大于等于3小时；

17、其中，第一次熔炼使用同牌号底垫，底垫上端面车至“凸”形；第一次熔炼起弧阶段，先将自耗电极下端面和底垫上端面接触，将电流由2.5ka分阶段逐步提高至6ka，在6ka保持3至5min后断电，将电极杆抬升30至50mm后送电起弧熔炼。

18、进一步地，上述一种超导用nbtita合金铸锭的制备方法中，步骤五中三次真空自耗电弧熔炼中第二次熔炼采用的结晶器规格φ460mm，熔炼前真空度≤2.0pa，漏气率≤1.0pa/min，熔炼电压为30至45v，熔炼电流为10至30ka，稳弧电流采用交流为5至20a，熔炼后冷却时间大于等于4小时。

19、进一步地，上述一种超导用nbtita合金铸锭的制备方法中，步骤五中三次真空自耗电弧熔炼中第三次熔炼采用的结晶器规格φ520mm，自耗电极外径与结晶器内径之比保持在0.88至0.93之间，熔炼前真空度为1.0pa，漏气率为0.8pa/min，熔炼电压为32至45v，熔炼电流为8至30ka；稳弧电流采用交流为8至25a，稳弧周期10至60s，熔炼后冷却时间大于等于5小时。

20、进一步地，上述一种超导用nbtita合金铸锭的制备方法中，步骤五中nbtita合金铸锭的规格为φ520mm；nbtita合金铸锭中钛元素含量为35至45wt％，钽元素含量为8至15wt％。

21、本发明有益效果在于：本发明通过结合粉末冶金和真空电子束熔炼的方法，实现了nb和ta的初步合金化和纯净化，得到了熔点下降、杂质元素含量下降的nb25ta铸锭；2.真空电子束炉由于真空高、功率大，nb25ta棒材的成分精确控制难度大。根据nb25ta棒的实测成分，配入少量的tita混合粉或tinb混合粉，既保证了成分的精确控制，同时也保证了杂质元素含量低。将混合粉布料于海绵钛中间，防止出现漏粉导致的nb、ta不熔块；3.通过合理布局nbta棒、混合粉和海绵钛的相对位置，压制异形钛电极块，在一次熔炼时先短路加热提高nbta棒的温度，合理设计一次熔炼工艺，解决了ta、nb不熔块问题，实现了合金的纯净化、成分的精确化和初步的合金化。