课题基金 / 基金详情

高性能Nb3Al超导合金低温烧结成相机制及其微观组织调控

批准号:
52171044
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
马宗青
依托单位:
学科分类:
金属材料制备与加工
结题年份:
2025
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
李新华、胡章平、扈伟强、孔祥炜、赵亚楠、程晓鹏、姜东景、刘怡汝

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
Nb3Al合金以其优异的超导性能在大型高场磁体领域具有广阔的应用前景。但由于符合化学计量比超导相成相困难以及加工成形工艺复杂等因素,至今Nb3Al超导线材的研究仍停留在实验室阶段。近几年发展起来的机械合金化+低温烧结工艺简单易操作、成品率高且热处理温度低,有望率先实现低成本Nb3Al超导线材的大规模制备。不过目前该方法形成的超导相仍偏离化学计量比且临界电流密度较低,难以满足实用要求。鉴于此,本项目拟综合采用原位实验监测和计算模拟来澄清Nb(Al)ss过饱和固溶体球磨形成机制及其在低温烧结过程中向超导相转变的动力学机制,并进一步探明低温烧结微观组织形成和演变规律及其与临界电流密度之间的内在关系。以此为指导,优化该制备工艺,开发并引入第三组元添加技术和线材冷压/热压施加技术,实现化学计量比Nb3Al超导相低温可控成相和相应微观组织的有效调控,全面提高合金的超导性能,推动高性能线材规模化制备。
英文摘要
The Nb3Al superconducting alloy has a broad application prospect in the huge high field magnets due to its excellent superconducting properties. However, all the research on the Nb3Al superconducting wires is still in the laboratory now because of its difficult synthesis of superconducting phase with stoichiometric ratio and complicate forming technology. The technique that mechanical alloying and subsequent low-temperature sintering developed these years is expected to firstly achieve large-scale preparation of low cost Nb3Al wires owing to its easy-to-handle, high-yield and low heat treatment temperature. But so far the composition of superconducting phase synthesized with this method still deviates from the stoichiometry and also its critical current density is too low to meet the requirements of practical application. Based on these backgrounds, combined with in-situ experimental measurement and computing simulation, this project will clarify the formation mechanism of Nb(Al)ss supersaturated solid solution during mechanical alloying process and the kinetics mechanism of phase transition from this Nb(Al)ss to Nb3Al during low temperature sintering process. Then the formation and evolution of low-temperature sintered microstructure in Nb3Al will be investigated. Furthermore, the internal relationship between microstructure and critical current density for Nb3Al will be also revealed. Accordingly, the technique that mechanical alloying and subsequent low-temperature sintering can be improved and optimized, and also the technologies of the third component doping and cold/hot pressing will be explored as its beneficial supplement. Finally, the controlled formation of Nb3Al superconducting phase with stoichiometric ratio as well as the design and regulation of corresponding microstructure will be achieved at low sintering temperature. As a result, the superconducting properties of Nb3Al alloy can be comprehensively improved and its high-performance wires will be prepared in large scale.
Nb3Al合金以其优异的超导性能在大型高场磁体领域具有广阔的应用前景。但至今Nb3Al超导合金线材的研究仍停留在实验室阶段,无法实现大规模商业化制备与应用。近几年发展起来的机械合金化+低温烧结工艺简单易操作、成品率高且热处理温度低,有望率先实现低成本Nb3Al超导线材的大规模制备。不过目前该方法形成的超导相临界电流密度仍然较低,难以满足实用要求。针对该现状,本项目首先研究了Nb-Al体系机械合金化过程中Nb(Al)ss过饱和固溶体形成机制,探明了Nb-Al体系低温烧结过程中Nb3Al超导相形成机制,发现不同球磨合金化处理的Nb-Al预合金粉在随后的低温烧结过程中形成两条反应路线:途径(1): 球磨时间<8h,Nb2Al + Nb → Nb3Al和途径(2): 球磨时间>20h,Nb(Al)ss → Nb3Al。考察了低温烧结Nb3Al超导合金的微观组织形成和演变规律。以此为指导,优化了Nb3Al超导合金低温烧结工艺,明确Nb3Al具有最佳临界电流密度的微观组织特征及相应的调控技术。进一步深入研究了Sn、B单独掺杂以及共掺杂对Nb3Al超导成相动力学过程、微观组织以及超导性能的影响机制,从改善晶间连接性和增强磁通钉扎效应两方面同时入手,大幅度提高了Nb3Al的临界电流密度,在4.5 K和5 T条件下临界电流密度达到8.6×105 A/cm2。然后利用机械合金化与粉末装管法相结合的工艺制备了Nb3Al超导预合金线材,经低温烧结成功制得了Nb3Al超导线材。结合组织调控和工艺优化,最终确定了一套适宜于Nb3Al超导线材的制备工艺方案,制备出了高载流Nb3Al超导线材。本项目研究成果有望实现大规模制备高性能实用化Nb3Al超导线材,推动其在高能粒子加速器、千兆赫兹级核磁共振分析以及热核聚变超导磁约束等大型高场领域的应用推广,同时也将为同类合金机械合金化+烧结工艺优化以及组织调控提供基础数据和理论指导。
无裂纹高性能固溶强化型镍基高温合金激光增材制造基础研究
  • 批准号:
    U22A20172
  • 项目类别:
    联合基金项目
  • 资助金额:
    255.00万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    马宗青
  • 依托单位:
高性能Nb3Al超导合金低温烧结成相机制及其微观组织调控
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    58万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    马宗青
  • 依托单位:
面向等离子体Y2O3弥散强化钨基材料复合先驱粉原位制备及其烧结特性
  • 批准号:
    51574178
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    马宗青
  • 依托单位:
铁基超导材料原位烧结织构形成机制及其载流能力研究
  • 批准号:
    51302186
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    马宗青
  • 依托单位:
国内基金
海外基金