高场磁体用Nb3Al超导线材研究进展

崔利军，张平祥,2，潘熙锋，闫　果，齐　铭，王大友，刘向宏，冯　勇，白质明

(1.西部超导材料科技股份有限公司 超导材料制备国家工程实验室，陕西 西安 710018) (2.西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)(3.东北大学，辽宁 沈阳 110004)

高场磁体用Nb3Al超导线材研究进展

崔利军1，张平祥1,2，潘熙锋1，闫果1，齐铭2,3，王大友1，刘向宏1，冯勇1，白质明3

(1.西部超导材料科技股份有限公司 超导材料制备国家工程实验室，陕西 西安 710018) (2.西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)(3.东北大学，辽宁 沈阳 110004)

摘要：Nb3Al超导体的超导转变温度(Tc)和上临界磁场(Hc2)与Nb3Sn类似，但具有更好的应力应变容许特性和高场临界电流密度(Jc)。因此，被认为是下一代高场磁体应用的理想材料。目前国际上报道的Nb3Al超导线材单根长度可以达到2.6 km；在4.2 K和15 T条件下，Jc达到1 000 A/mm2；但是由于制备工艺的复杂性，目前仍然无法实现大规模工业化应用。首先阐述了Nb3Al超导材料的基本特性，如Nb/Al扩散间距小、二者硬度匹配性小和低温热处理导致Al含量偏离化学计量比等，以及由此带来的材料加工和热处理方面的难点；系统介绍了近年来针对Nb3Al超导长线性能提升，在前驱体制备工艺、热处理工艺和表面覆Cu工艺方面的研究进展，并对不同的工艺进行了比较分析，重点讨论了线材制备过程中存在的关键性难点问题；最后，对Nb3Al超导材料的发展趋势进行了展望。

关键词：Nb3Al；超导线材；制备工艺；超导性能；高场磁体

Research Progress of Nb3Al SuperconductingWire for High-Field Application

CUI Lijun1, ZHANG Pingxiang1,2,PAN Xifeng1, YAN Guo1,QI Ming2,3,

1前言

超导技术经过百余年的发展，在医疗、电力、能源、交通和军事等领域得到了较为广泛的应用，被认为是21世纪具有战略意义的高新技术。目前实现商业化应用的超导材料主要为NbTi和Nb3Sn线材，其中Nb3Sn主要应用于磁场强度10 T以上的超导磁体[1]。随着高磁场科学的发展，未来高场磁体应用需要性能更加优于Nb3Sn的超导材料。

与Nb3Sn相比，Nb3Al超导材料在高场条件下具有高的临界电流、上临界场和更好的应力应变容许特性，是Nb3Sn的理想替代材料[2-3]。日本的NIMS小组、美国的Sumption小组和意大利的Ceresara小组围绕实用化的高性能Nb3Al超导长线制备开展了大量的工作，并开发了一系列Nb3Al超导线材的制备工艺，取得了大量重要的成果[4-9]。

不同于Nb3Sn，Nb3Al相只有在1 940~2 060 ℃温度下稳定存在，平衡态的Nb3Al相中的Al含量偏离化学计量比，其超导体性能远低于化学计量比下的理论值[10]。此外，由于Cu-Nb-Al三元化合物极易生成，Nb3Al无法像Nb3Sn一样通过青铜法来制备线材[11]。目前，只有少数几个研究小组报道过研制出Nb3Al长线，但仅限于实验室研究，生产工艺的复杂性及成品率太低等因素使得该材料还无法实现大规模商业化应用。

国际上已经实现了NbTi和Nb3Sn超导材料的产业化，Nb3Al超导材料的研究还停留在实验室阶段，国内对Nb3Al超导材料的研究也尚属空白。为了进一步加快我国超导材料的产业化进程，促进Nb3Al超导线材相关研究工作的开展，结合Nb3Al超导材料不同于其他A15结构超导材料的基本性质，系统介绍了Nb3Al超导线材前驱体的主要制备方法、热处理工艺和相应的超导性能，以及线材的覆Cu工艺，重点分析了线材制备过程中存在的关键性难点问题，同时介绍了作者团队在Nb3Al超导线材制备方面开展的一些研究工作。

2Nb3Al超导材料的基本性质

Nb3Al和Nb3Sn都属于A15型化合物，但两种材料性质有很大的差异。室温下，Nb3Sn相可以在Sn含量为20%~25%的范围内稳定存在。从图1的Nb-Al相图可以看出,具有化学计量比的Nb3Al相只有在1 940~2 060 ℃ 的高温下才存在，Al含量随着温度的降低而减少，在1 000 ℃时Al含量减少到21%左右[12]。因此，通过常规的低温热处理很难获得具有化学计量比的Nb3Al超导体。Jorda的研究表明Nb3Al的超导性能依赖于Al含量的高低，超导转变温度随着Al含量的增加而提高[10]。因此，化学计量比的获得是制备高性能Nb3Al超导材料的关键。

Barmak K等人在1 000 ℃以下通过薄膜的形式系统研究了Nb-Al成相规律[13]。研究表明Nb和Al首先反应生成NbAl3，然后Nb和NbAl3继续反应生成Nb2Al，最后Nb与Nb2Al反应生成Nb3Al，即Nb+Al→NbAl3+Nb→Nb2Al+Nb→Nb3Al。同时研究结果表明Nb/Al扩散间距非常小，Al膜厚度约为0.1 μm时，Nb和Al完全生成Nb3Al，Al膜厚度大于0.1 μm时，最终反应生成Nb3Al和Nb2Al的共存相。

图1　Nb-Al二元相图[12]Fig.1　Nb-Al binary phase diagram[12]

Nb3Al超导材料属于晶界钉扎，小尺寸的晶粒能够有效增加晶界面积，提高钉扎力，从而提高Nb3Al在磁场下的传输性能。高温热处理可以获得接近化学计量比的超导相，但是较高的热处理温度不可避免的引起晶粒长大，导致钉扎力减小。低温热处理可以获得小尺寸的晶粒，但化学计量比偏离较大。因此，制备高性能的Nb3Al超导线材需要开发特殊的热处理工艺，保证材料同时具有化学计量比和小尺寸晶粒。

3前驱体制备工艺

不同于Nb-Sn-Cu体系，在Nb-Al-Cu三元体系中会形成稳定的NbAl3、Nb2Al、Laves相和Cu/Nb/Al三元合金，这些相的形成阻碍了Al在Cu基体扩散形成Nb3Al，因此无法通过青铜法制备Nb3Al超导线材。目前，Nb3Al超导线材前驱体的制备工艺主要有：

3.1套管法(Rod-in-Tube)

将Al棒插入Nb管获得单芯复合棒材，通过挤压和拉拔工序得到单芯线，再将多根单芯线进行组装、挤压和拉拔，最终获得具有多芯结构的前驱体线材。其制备工艺流程如图2所示。

图2　套管法制备Nb3Al超导线材工艺流程Fig.2　Fabrication of Nb3Al wire by the Rod-in-Tube method

套管法在NbTi和Nb3Sn线材制备中应用较为广泛，但是在Nb3Al线材制备中存在一定的难度。由于Nb/Al扩散间距很小，最终前驱体线材中Al的尺度在0.1 μm左右。即使采用φ5 mm的Al棒，最终加工到0.1 μm时,加工量高达109，接近材料加工极限。同时Nb和Al熔点相差很大，无法通过常规的退火工艺消除加工硬化。此外，Nb和Al硬度差别较大，二者在加工时难以实现同步变形，很容易产生香肠状的节现象。以上因素都不利于套管法制备Nb3Al长线。

NIMS小组通过在Al中添加Cu,Zn,Mg等金属元素的方式提高Al的硬度，以改善二者的匹配度。该小组采用不同添加元素的Al合金棒制备了Nb3Al超导线材，并测量了各种线材的超导性能、对比分析了线材的加工性能，如表1所示[14]。可以看出，金属元素的添加有效提高了Nb和Al的匹配度，改善了前驱体线材的加工性能，同时不会与Nb和Al发生反应，析出杂相，对线材的超导性能无明显影响。

表1　各种Al合金的Nb/Al复合体加工性能[14]

3.2卷绕法(Jelly-Roll)

将Nb箔和Al箔叠放后卷绕在中心Nb或Ta棒上，装进Nb或Ta管内，通过挤压和拉拔工序获得单芯线，然后将多根单芯线进行组装、挤压和拉拔最终获得具有多芯结构的前驱体线材。其制备工艺如图3所示。

图3　卷绕法制备Nb3Al超导线材工艺流程Fig.3　Fabrication of Nb3Al wire by the Jelly-Roll method

卷绕法是Nb3Al前驱体制备中应用最为广泛的一种制备工艺。与套管法相比，由于可以采用起始厚度很薄的Al箔(<0.1 mm)，线材的加工量将大幅减小，从而有效降低了线材的断线率，可以获得千米级的长线。日本NIMS小组已经能够通过卷绕法制备出单根长度达到2.6 km的Nb3Al前驱体线材[15]。该工艺的不足之处在于，Nb箔和Al箔厚度都很小，无法对材料进行酸洗去除表面的氧化层，同时材料厚度的均一性也难以得到控制，这些因素会导致最终超导线材内部结构的不均匀性，进而导致RHQT热处理时发生断线。

尽管卷绕法存在一定不足，且目前无法进行批量化生产，但其具有可以大幅减小加工量的优势，仍被认为是最有希望制备Nb3Al长线的前驱体制备工艺。

3.3碎片包覆挤压法(Clad-Chip Extrusion)

首先将Al片放在Nb片两面通过轧制获得Al/Nb/Al复合体，然后将该复合体切成小片装入Nb管内，进行挤压拉拔获得单芯线，再将多根单芯线进行组装、挤压和拉拔，最终获得多芯线前驱体。其制备工艺流程如图4所示[16]。

碎片包覆挤压法同样可以采用起始厚度很薄的Nb片和Al片以减少加工量，Sakae等人以1 mm厚的Nb片和0.14 mm厚的Al片成功制备出37芯的直径0.9 mm的Nb3Al超导线材[16]。由于Nb和Al的硬度及延展率不同，将导致二者在轧制过程中变形不同步，最终影响到Nb和Al的化学计量比。此外，大量的Al/Nb/Al复合体进行挤压和拉拔加工，很难保证内部变形的均匀性，不适用于千米级长线的制备。

图4　碎片包覆挤压法制备Nb3Al线材工艺流程[16]Fig.4　Fabrication of Nb3Al wire by the Clad-Chip Extrusion method[16]

3.4粉末装管法(Powder-in-Tube)

粉末装管法工艺流程相对简单，是Bi系高温超导线材和MgB2超导线材的主要制备工艺。该工艺是将Nb粉和Al粉混合均匀，装入Cu管或Nb管内进行拉拔获得单芯线，然后将多根单芯线进行组装拉拔获得多芯线前驱体。其制备工艺流程如图5所示。

图5　粉末装管法制备Nb3Al线材工艺流程Fig.5　Fabrication of Nb3Al wire by the Powder-in-Tube method

从Nb/Al成相规律中可以看出，Nb2Al和Nb可以直接反应生成Nb3Al超导相。Sumption等人由此尝试以Nb2Al粉和Nb粉为原始粉末，通过粉末装管法成功制备出19芯Nb3Al线材，在4.2 K和12 T条件下，Jc达到500 A/mm2[17]。

粉末装管法的加工性能依赖于粉末的流通性。在Bi2212线材加工过程中，粉末颗粒随着加工由球状逐渐拉伸为片状，因此具有良好的加工性能。Nb粉和Al粉流通性相对较差，随着加工量的增加，流通性衰减较快，很难获得一百芯以上的多芯Nb3Al长线。此外，Nb粉和Al粉的物质量比达到3∶1，混合粉末的均匀性难以得到控制。

在粉末装管法制备Nb3Al线材方面，作者研究团队采用机械合金化和粉末装管法相结合的工艺路线，开展了一定的工作。首先将Nb粉和Al粉通过机械合金化获得过饱和固溶体Nb(Al)ss，然后将Nb(Al)ss通过粉末装管法进行拉拔，经低温热处理即可获得Cu基体的Nb3Al超导线材。与Nb/Al混合粉末直接通过粉末装管法进行拉拔相比，Nb(Al)ss具有较好的延展性，采用粉末装管法加工相对容易。图6显示了该工艺制备的不同直径的单芯Nb3Al线材经低温热处理后线材的临界电流密度与磁场关系[18]。从图6中可以看出，在4.2 K和12 T条件下，直径1.0 mm线材的临界电流密度达到104A/cm2量级。该工艺制备的Nb3Al超导线材转变温度在13~15 K之间，低于化学计量比Nb3Al超导体的18.7 K，这种差别可能是由于过饱和固溶体Nb(Al)ss中Al的固溶量较低，导致在后续低温热处理过程中析出的Nb3Al超导相中Al含量偏离化学计量比的25%。由于粉末装管法制备线材的致密度有限，晶粒的连接性也是导致线材性能较低的因素。接下来的工作需要进一步优化机械合金化的工艺参数，提高固溶体中Al含量和线材中晶粒的连接性，以获得更高转变温度和临界电流的Nb3Al超导线材。

图6　机械合金化制备Nb3Al线带材的Jc-H关系[18]Fig.6　Jc versus H curves of Nb3Al wires and tape prepared with mechanical alloying method[18]

4热处理工艺及超导性能

4.1低温热处理(Low-Temperature Process)

在商业化生产过程中，低温热处理是一种比较经济、易于大批量进行的线材热处理方式。由于Nb/Al扩散间距很小和反应缓慢，为了使Nb和Al完全反应，采用低温热处理工艺需要将Al的尺度加工到0.1 μm以下，并延长热处理时间。通过卷绕法将Al加工到0.1 μm，加工量大约有105，而采用套管法将Al芯加工到相同尺寸时，线材加工量高达1010，增加了前驱体的加工难度和断线几率。此外，Nb和Al的熔点、硬度相差较大，在低温下即会发生反应生成非超导相Nb2Al和NbAl3，无法进行去应力退火，很难获得千米级的长线。

从图1可以看出，在1 000 ℃以下热处理时，Nb3Al中Al含量小于21%，偏离化学计量比25%，超导转变温度低于15 K，达不到Nb3Al的最佳性能。意大利的Novara小组采用卷绕法(Jelly-Roll)制备了直径0.2 mm的Nb3Al前驱体线材，经750~950 ℃不同时间的热处理后，超导转变温度Tc在15.48~15.62 K[19]。因此，低温热处理很难获得高性能的Nb3Al超导线材。

图7显示了卷绕法、套管法和粉末装管法制备的超导线材经低温热处理(<900 ℃)后的Jc-B关系[14,20]。3种方法制备的Nb3Al前驱体线材中Al的尺度均小于0.1 μm，从图7中的结果看出，经低温热处理后Jc虽然较低，但3种线材的Jc-B关系基本相同。因此可以得出，Nb3Al超导线材的性能只与Nb/Al扩散间距有关，而与前驱体的制备工艺无关。前驱体制备工艺的不同，只会关系到线材制备的难易程度和成品率。

图7　各种工艺制备Nb3Al线材经低温热处理后的Jc-B关系[14,20]Fig.7　Jc versus B curves for various processed Nb3Al wires that are heat treated at low temperature[14,20]

4.2快速加热和冷却(Rapid-Heating and Quenching)

为了获得具有化学计量比和小尺寸晶粒的高性能Nb3Al超导线材，Y. Iijima等人发展出了连续快速加热和快速冷却，与后续低温退火相结合的热处理工艺(RHQT)，如图8所示[21]。其原理是将Nb3Al前驱体长线置于真空腔的放线轮，以1 m/s的速率经三个支撑轮后盘绕在收线轮，其中两个支撑轮作为电极，电极间距即加热距离为10 cm。线材进入电极范围后，与电源形成通路以欧姆加热的方式快速加热到约1 940 ℃以上的固溶温区，随后在0.1 s的极短时间内在50 ℃的Ga液槽内快速淬火，形成过饱和固溶体Nb(Al)ss，最后在800 ℃进行退火，析出Nb3Al超导相。

图8　连续快速加热和快速冷却制备Nb3Al长线热处理装置[21]　Fig.8　Rapid heating and rapid quenching apparatus to fabricateNb3Al long wires[21]

图9对RHQT热处理Nb3Al线材[22]、Nb3Sn线材[23]和低温热处理Nb3Al线材[4]在不同磁场下的临界电流密度进行了对比，三种线材前驱体均采用卷绕法(JR)制备。从图9中可以看出，低温热处理的Nb3Al线材整体性能低于Nb3Sn，非铜临界电流密度Jc在17 T时低于100 A/mm2，经RHQT热处理的Nb3Al线材性能得到了较大的提升，非铜临界电流密度Jc在22 T时高于100 A/mm2。因此，RHQT是目前制备高性能Nb3Al超导线材的最佳热处理工艺。

图9　RHQT热处理Nb3Al线材[22]、Nb3Sn线材[23]和低温热处理 Nb3Al线材[4]的非铜临界电流密度和磁场关系曲线Fig.9　Non-Cu Jc versus magnetic field curves of the RHQT Nb3Al [22]、modified Nb3Sn (internal tin) [23]and low-temperature reaction Nb3Al[4]

为了开发出满足商业应用的千米级Nb3Al超导线材，作者研究团队也开展了基于卷绕法、套管法和粉末装管法的Nb3Al超导线材制备研究工作。图10所示为自主设计研制的Nb3Al超导短线的RHQ热处理装置[24]。通过该装置对套管法(RIT)制备的144芯Nb3Al前驱体线材进行RHQ热处理和后续低温成相热处理，成功获得了Nb3Al超导短样。图11显示了直径为1.0 mm和1.3 mm线材热处理后的磁化率曲线，分别对两种线材的头(1#)、中(2#)、尾(3#)取样进行测试。从图11可以看出不同直径线材的超导转变温度Tc在16.8~17.3 K之间，接近目前国际Nb3Al超导线材的17.8 K。

由于RHQT工艺需要将线材加热到1 940 ℃以上的温区，远高于Cu的熔点1 083 ℃，在进行热处理前需要将前驱体线材表面的Cu腐蚀掉，多芯线材内部的芯丝间也无法以Cu作为阻隔层。淬火后的线材表面会残留部分Ga，需要腐蚀后再进行后续的镀铜工艺。此外，由于线材采用欧姆加热的方式，内部芯丝的不均匀或局部断芯将极大地增加断线的几率。因此，RHQT虽然可以获得高临界电流密度Jc的Nb3Al超导线材，但是特殊的热处理方式严重影响了线材的成品率，很难获得千米级的线材。

图10　(a) RHQ 热处理设备照片; (b) Nb3Al 线材RHQ 热处理加热时照片; (c) Nb3Al 线材RHQ 热处理冷却时照片[24]Fig.10　The photos of RHQ heat treatment apparatus (a), rapid heating (b),and rapid quenching (c)[24]

图11　不同直径Nb3Al超导线材的M-T曲线，插图为局部放大后的曲线[24]Fig.11　M-T curves of Nb3Al wire with different diameter, insert displays an enlarged view near to superconducting transition [24]

此外，Kikuchi等人通过透射电镜分析表明，RHQT热处理样品中Al含量仍然低于化学计量比，在后续低温成相热处理时形成了大量10~20 nm尺度的位错[25]，导致了RHQT热处理工艺虽然可以获得高Jc的Nb3Al超导线材，但是线材的超导转变温度(Tc~17.8 K)和上临界场(BC2~26 T)低于在高温下扩散反应制备的Nb3Al超导块材[26]。为了避免这类位错的形成，进一步提高Nb3Al超导线材的超导性能，在RHQT基础上开发出了TRUQ (Transformation-Heat-Based Up-Quenching)[26]和DRHQ (Double Rapid Heating/Quenching)[27]热处理工艺，其工艺流程与RHQT相似，只是在快速加热和快速冷却后，增加一个在极短时间(t~0.3 s)内1 000 ℃(TRUQ)或者1 500 ℃(DRHQ)的高温成相热处理，最后再进行800 ℃/10 h的有序化热处理。图12显示了不同热处理工艺处理的Nb3Al超导线材的非铜临界电流密度和磁场、临界电流密度和磁场关系[28]，可以看出，经TRUQ和DRHQ工艺处理的Nb3Al超导线材临界电流密度相对RHQT工艺得到了较大的提高。此外，透镜分析表明样品内部未形成位错，TRUQ工艺制备超导线材的转变温度Tc提高到18.2 K，上临界场BC2(4.2 K)提高到28.2 T，DRHQ工艺制备超导线材的转变温度Tc提高到18.4 K，上临界场BC2(4.2 K)提高到30 T。

图12　不同热处理工艺处理后的Nb3Al超导线材的non-Cu Jc-B (a)和Jc-B曲线(b)[28]Fig.12　Non-Cu Jc-B(a) and Jc-B (b) curves of various heat-treated Nb3Al superconducting wires [28]

5磁通跳跃及导体结构设计

具有高Tc和高Jc的Nb3Al超导线材需要经历1 940 ℃以上的高温热处理，内部芯丝无法以Cu作为稳定基体和阻隔层，目前主要采用Nb作为芯丝间的阻隔层。Nb在低场下具有超导电性，以Nb作为阻隔层会使超导芯丝之间发生电磁耦合，进而导致磁通跳跃的发生[29], 因此Nb基体的Nb3Al超导线材不适合核聚变反应堆和加速器应用。

Ta的超导转变温度为4.5 K，在液He温度(4.2 K)上临界场接近于零，可以认为其失去超导电性，不会发生磁通跳跃现象，被认为是替代Nb的理想阻隔层材料，图13和图14分别显示了Nb阻隔层和不同类型Ta阻隔层的导体结构，及相应的M-H曲线。Takeuchi等人完全采用Ta作为阻隔层，成功制备出Ta基Nb3Al超导线材，导体结构如图13c所示，磁滞回线测量显示Ta基Nb3Al超导线材在4 K时，并未发生磁通跳跃，但是在粒子加速器的工作温区2 K，仍存在一定的磁通跳跃现象[30-32]，如图14所示。此外，Ta的塑性相对Nb较差，芯丝之间的Ta/Ta界面结合强度较弱，增加了前驱体线材加工的难度和断线率。为了消除磁通跳跃现象同时克服Ta带来的加工难度，Banno等人在Nb阻隔层的基础上，引入部分Ta作为阻隔层，如图13b所示，有效消除了4.2 K时Nb导致的磁通跳跃现象，导线加工性能也得到了一定程度的改善。Takeuchi随后又开发出了以Ta/Cu/Ta作为阻隔层的Nb3Al超导线材，导线结构如图13所示。这种结构设计有效消除了1.8 K温区的磁通跳跃现象，Cu的引入极大地提高了界面结合强度，提高了前驱体线材的加工性能[33]，如图14c所示。

图13　各种基体的Nb3Al超导线材整体和局部放大结构图:(a) Nb阻隔层，(b) Nb/Ta阻隔层，(c) Ta阻隔层，(d) Ta/Cu/Ta阻隔层[30-32]Fig.13　Images of overall and enlarged transverse cross-sections of Nb3Al superconducting wires:(a) Nb barrier，(b) Nb/Ta barrier，(c) Ta barrier,and (d) Ta/Cu/Ta barrier[30-32]

图14　不同阻隔层Nb3Al超导线材的M-H曲线:(a) Nb阻隔层,(b)Ta阻隔层,(c)Ta/Cu/Ta阻隔层[32]Fig.14　M-H curves of Nb3Al superconducting wires with different barrier：(a) Nb barrier,(b) Ta barrier,and (c)Ta/Cu/Ta barrier[32]

6覆铜工艺

为了避免在使用过程中受电磁干扰和热干扰等因素影响导致失超，最终的超导线材都需要以高导电率的Cu作为稳定基体。采用低温热处理工艺时，前驱体单芯和多芯线材可以直接套在Cu管内进行加工获得Cu基体超导线材，但是低温热处理工艺无法获得化学计量比的Nb3Al。采用RHQT工艺，由于1 940 ℃以上的热处理温度超过了Cu的熔点，无法在前驱体线的加工过程中引入Cu，需要在RHQ热处理后的线材表面进行覆Cu，主要有以下几种工艺：

6.1轧制覆Cu工艺

RHQ热处理形成的Nb(Al)ss过饱和固溶体具有较好的塑性，可以进行一定量的冷加工[34]。日本的NIMS小组将RHQ处理完的Nb/Nb(Al)ss复合体线材装进Cu管内直接进行拉拔，最后在800 ℃进行10 h的低温成相热处理，成功获得Cu基体的Nb3Al超导圆线[35-36]。Banno等人采用此工艺制备出300 m长的Cu基体Nb3Al超导线材，临界电流与标准RHQT工艺制备的Nb3Al超导线材临界电流相当。轧制覆Cu工艺流程简单，但是拉拔的加工方式导致外层Cu与Nb基体的结合强度较低，线材应力应变性能较差。

Kosuge等人在上述工艺的基础上做了一定的改进，将RHQ处理完的Nb/Nb(Al)ss复合体线材装进Cu管后进行轧制，获得Cu基体的Nb3Al超导扁线[37-38]。该工艺制备的线材外层Cu与Nb基体具有较好的结合强度，改善了覆Cu后线材的应力应变性能，同时二者的接触电阻降低了大约三个数量级。

6.2离子镀和电镀工艺

RHQ热处理后线材表面会形成一层稳定的NbO层，降低了包覆层Cu和线材的结合强度。Akihiro等人采用离子镀工艺在RHQ热处理线材表面镀一层厚度为1 μm的Cu，然后再通过电镀工艺在线材表面电镀厚度约10 μm的Cu，获得Cu基体的Nb3Al超导线材[39-40]。该工艺通过离子镀Cu破坏了线材表面的NbO层，极大的增强了Cu基体与Nb的结合强度，线材在大角度弯曲的情况下也不会出现裂纹现象。对直径1 mm的线材进行测试，RRR值高达200，在4.2 K和15 T条件下非铜临界电流密度达到1 000 A/mm2。离子镀和电镀工艺是目前制备高性能Cu基体Nb3Al超导线材的理想工艺。

7结语

Nb3Al超导材料在高场下表现出优于Nb3Sn的超导性能和力学性能，在未来高场磁体应用领域极具潜力。由于材料的特殊性导致其无法通过常规的方法制备成线材，实现商业化应用还有一系列的难题要解决：

(1)由于Nb/Al扩散间距很小，要求最终的前驱体线材Al的尺度小于0.1 μm，巨大的加工量接近材料的变形极限。此外，Nb和Al熔点相差很大，无法在线材加工过程中进行有效的去应力退火，导致断线率进一步提高。如何减小线材的加工量或开发新的前驱体制备工艺将是前驱体长线制备的关键。

(2)Nb3Al的超导性能与化学计量比和晶粒大小密切相关。低温热处理可以获得细小的晶粒，但是偏离化学计量比较大，超导转变温度和临界电流密度都较低。高温热处理可以获得接近化学计量比的Nb3Al，但是不可避免地引起晶粒长大，导致临界电流在磁场下衰减过快。快热快冷热处理工艺(RHQT)是目前获得高性能Nb3Al超导材料较为理想的方法，但是线材内部结构的不均匀将极大地增加热处理时的断线率。因此，还需要进一步地改进热处理工艺，开发出适用于千米级长线的稳定的热处理工艺。

(3)离子镀和电镀覆Cu工艺可以获得界面结合强度高、接触电阻小和应力应变性能优良的Cu基体，但是该工艺流程复杂、成本高、周期长，不利于商业化应用，仍需探索满足商业化应用要求的新工艺。

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(编辑：盖少飞惠琼)

WANG Dayou1, LIU Xianghong1, FENG Yong1,BAI Zhiming3

(1.West Superconducting Technologies Co.,Ltd.， National Engineering Laboratory for

Superconducting Materials,Xi’an 710018, China)

(2.Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi’an 710016, China)

(3.Northeastern University, Shenyang 110004, China)

Abstract：The superconducting transition temperature (Tc) and upper critical magnetic field (Hc2)of Nb3Al superconductor are similar to Nb3Sn, but it has better strain tolerance and higher critical current(Jc)at high field. Therefore, Nb3Al superconductor is considered as a very appealing material for use in future high field application. At present, the Nb3Al superconducting wire with 2.6 km long length had been reported, which exhibited a large Jcof 1 000 A/mm2at 4.2 K and 15 T. Due to the complexity of fabrication techniques, it can not be commercially applied. In this paper, the basic properties of Nb3Al are introduced, such as little diffuse space,large difference in hardness and off-stoichiometric with low temperature heat-treatment. Besides, various precursor fabrication, heat-treatment and Cu cladding techniques are described and compared, and the difficulties of fabrication,processes are analysed especially. In the end, a perspective and future development of Nb3Al superconductor are given.

Key words：Nb3Al；superconducting wire；fabrication techniques；superconducting properties；high field magnet

中图分类号：O511

文献标识码：A

文章编号：1674-3962 (2015)01-0064-09

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2015.01.06

通讯作者：张平祥 ，男，1965年生，教授，博士生导师,Email:pxzhang@c-nin.com

基金项目：国家磁约束核聚变能研究专项(ITER)资助项目(2011GB112001); 国家自然科学基金(51302224)

收稿日期：2014-08-01

第一作者：崔利军 ，男，1984年生，硕士，工程师