Методы производства сплавов
Методы производства сплавов на основе ниобия, особенно тех, которые используются в качестве сверхпроводящих материалов, таких как Nb-Ti, Nb-Ti-Zr и Nb-Ti-Ta, в основном включают смешивание порошка ниобия с одним или несколькими порошками титана, тантала, циркония и гафния, прессование, спекание и плавление. Процесс спекания делится на два этапа: низкотемпературное дегидрирование и высокотемпературное спекание. Ниобиевые сплавы часто производятся путем предварительного формирования электродов из исходного сырья с последующей их плавкой в электродуговой или плазменной печи. Методы подготовки электродов включают ламинирование пластин, прессование порошкового сырья и прессование стружки.
Поскольку ниобий и титан необходимо предварительно переработать в пластины, процесс сложен, коэффициент использования металла низкий, а готовый продукт легко загрязняется. В процессе плавки ниобиевые слитки склонны к образованию тугоплавких блоков. Ниже описан порошковый метод производства сплавов на основе ниобия. Процесс включает прокатку слитков ниобия в пластины, гидрирование пластин ниобия, их измельчение в порошок, смешивание дегидрированного порошка ниобия с порошком титана, прессование в электроды и последующую плавку в электродуговой печи не менее двух раз для получения слитка сплава. Этот процесс сложен и сопряжен со значительными потерями при прокатке слитков высокочистого ниобия в пластины. Кроме того, дегидрированный порошок ниобия требует герметичного хранения, так как он склонен к загрязнению газом при длительном простое. Прессованные электроды также имеют такие недостатки, как низкая плотность, низкая прочность, плохая проводимость, высокое содержание газа, чрезмерное разбрызгивание металла во время плавки, нестабильная электрическая дуга, легкое отсоединение электродов и нестабильная однородность состава для некоторых применений. Основной метод производства ниобиевых сплавов включает смешивание гидрированного ниобиевого порошка с одним или несколькими порошками, выбранными из титана, тантала, циркония и гафния, прессование в электроды, спекание и последующую плавку в сплав. Плавка может осуществляться в вакуумной дуговой или плазменной печи.
Чтобы уменьшить количество тугоплавкого материала из тугоплавких металлов, размер частиц тугоплавкого металла в идеале должен быть меньше размера частиц легкоплавкого металла. Размер частиц легкоплавкого металла в идеале должен быть менее 20 меш; более крупный размер частиц повлияет на однородность конечного сплава. Состав и соотношение ниобиевых сплавов можно определить путем равномерного смешивания ниобиевого порошка с одним или несколькими порошками, выбранными из титана, тантала, циркония и гафния, и прессования в электроды необходимого размера. Это может быть сделано методом литья под давлением или изостатического прессования при давлении от 166 до 392 МПа. Спрессованные электроды затем подвергаются спеканию. Процесс спекания состоит из двух стадий: низкотемпературного дегидрирования и высокотемпературного спекания, которые проводятся в вакуумной печи. Начальной стадией спекания является дегидрирование; при повышении температуры гидриды распадаются на зарождающиеся металлы, образуя свежую и высокореакционноспособную металлическую поверхность. После дегидрирования происходит высокотемпературное спекание. В процессе высокотемпературного спекания эти высокореакционноспособные металлы легко диффундируют, образуя различные твердые растворы с более низкими температурами плавления, что способствует устранению сгустков тугоплавкого металла в слитке после плавки и повышению однородности.
Процесс получения сплавов на основе ниобия прост и отличается высоким коэффициентом использования металла. В частности, прямое гидрирование слитков ниобия для получения порошка снижает загрязнение такими примесями, как кислород, железо и кремний. Перед гидрированием слитки ниобия требуют только соответствующей промывки кислотой, что делает процесс особенно простым. От слитков ниобия до готовых электродов, степень использования ниобия может достигать более 80%. Прямое дозирование и прессование с порошком, содержащим ниобий, способствует сохранению порошка и снижает газопоглощение. Сплав на основе ниобия, полученный этим производственным процессом, имеет однородный состав, что практически исключает неплавкие включения тугоплавких металлов. В сплаве Nb-50Ti массой 30 кг, выплавленном в одной электродуговой печи, содержание титана колеблется в пределах 1-1,5 мас.%; в слитке сплава, выплавленном дважды в электродуговой печи, содержание титана колеблется в пределах <1 мас.%. Микроструктурный анализ сплава показывает, что содержание титана колеблется в пределах 2,5-4,6 мас.%. Данный сплав полностью отвечает требованиям, предъявляемым к производству композитных сверхпроводящих проводов, и особенно подходит для производства композитных сверхпроводящих проводов с диаметром жилы менее 10 микрометров, а также композитных сверхпроводящих проводов для магнитов, требующих высокой однородности магнитного поля.
Подготовленный ниобийсодержащий порошок равномерно смешивают с коммерчески доступным диэлектрическим титановым порошком с размером частиц <20 меш в соотношении 49 мас.% Nb и прессуют в электроды диаметром 40-45 × 180 мм под давлением 2 тонны/см2. Прессованные электроды необходимо спекать для удаления водорода, повышения прочности порошкового электрода и частичного образования твердого раствора ниобия с титаном. В процессе спекания создают предварительный вакуум 8 × 10-2 Па, после чего нагревают для удаления водорода, начиная с температуры около 300 °C и выдерживая при температуре 650–700 °C до достижения вакуума 8 × 10-2 Па. Затем температуру повышают до 1400 °C и выдерживают в течение 2 часов для высокотемпературного спекания. Рентгенофазовый анализ подтверждает образование твердого раствора ниобия с титаном. Степень использования ниобия в слитках ниобия и сплавах достигает более 80%.