ниобий-титановый порошок это передовой интерметаллический материал, обладающий превосходными сверхпроводящими свойствами и высокой прочностью. В этой статье представлен полный обзор порошка NbTi, включая его состав, методы производства, основные свойства, области применения, технические характеристики, цены и многое другое.
Обзор ниобий-титанового порошка
NbTi - это интерметаллическое соединение, состоящее из ниобия (Nb) и титана (Ti). Он считается сверхпроводниковым материалом, способным проводить электричество с нулевым сопротивлением ниже критической температуры. NbTi обладает повышенной прочностью по сравнению с чистым ниобием и улучшенными сверхпроводящими свойствами за счет добавок титана.
Ключевыми свойствами, которые делают NbTi полезным для различных высокотехнологичных применений, являются:
- Высокая критическая температура
- Высокая критическая напряженность магнитного поля
- Хорошая пластичность и обрабатываемость
- Отличная прочность
- Коррозионная стойкость
- Биосовместимость
Порошок NbTi может быть спрессован в различные формы - от проволоки и ленты до стержней и специальных форм. Основные области применения используют сверхпроводимость, например, в аппаратах МРТ, ускорителях частиц, термоядерных реакторах токамак и магнитах высокого поля. Сочетание прочности и проводимости также позволяет использовать NbTi в передовых медицинских приборах, аэрокосмических компонентах, детекторах частиц и накопителях энергии.
Состав ниобий-титановый порошок
Содержание ниобия обычно составляет 40-75%, остальное - титан. Конкретные составы подбираются для удовлетворения необходимых свойств и требований к производительности для различных областей применения.
Типичный химический состав
| Элемент | Вес % |
|---|---|
| Ниобий (Nb) | 40-75% |
| Титан (Ti) | Баланс |
Могут присутствовать следовые количества тантала, кислорода, углерода и азота на уровне ppm. Конкретные пределы зависят от формы материала и спецификаций конечного применения.
Фазы
Микроструктура NbTi состоит из твердого раствора ниобиевой фазы BCC с атомами титана, беспорядочно распределенными по участкам решетки. При достаточной холодной и правильной термической обработке в материале образуются мелкодисперсные осадки интерметаллической фазы NbTi, когерентной с ниобиевой матрицей.
Эта двухфазная смесь приводит к улучшению свойств пиннинга потока, что максимально повышает производительность сверхпроводящих приложений, требующих высокой критической плотности тока.
Производство ниобий-титановый порошок
Коммерческие методы производства ниобий-титанового порошка включают вакуумно-индукционную плавку с последующим распылением в газовой среде или гидридно-дегидридную обработку. Маршрут производства порошка, параметры и последующая обработка имеют решающее значение для получения нужной микроструктуры.
Вакуумно-индукционная плавка
Ниобий и титан высокой чистоты индукционно расплавляются в медных тиглях с водяным охлаждением в вакууме. Затем расплав заливается в систему распыления с каскадными форсунками, где он распыляется струями инертного газа аргона. В результате получается мелкодисперсный сферический порошок, идеально подходящий для прессования в различные формы.
Параметры процесса распыления могут быть оптимизированы для получения порошка со средним размером частиц от 25 микрон до 150+ микрон. Более мелкие порошки обеспечивают большую площадь поверхности для эффективности фильтрации, в то время как более крупные порошки улучшают плотность уплотнения для таких изделий, как проволока.
Гидрид-дегидрид
В этом процессе слиток NbTi подвергается гидрированию, которое осыпает его для измельчения в порошок. Полученный гидридный порошок затем обезвоживается под вакуумом, в результате чего остается мелкий порошок NbTi, пригодный для консолидации.
Порошки гидридов имеют более угловатую и неправильную форму, но хорошо поддаются прессованию и отличаются высокой химической чистотой. Этот процесс также может быть использован для переработки побочных продуктов лома NbTi в порошковое сырье.
Постобработка
В некоторых случаях перед уплотнением используется вторичная обработка сырого порошка, например, струйный помол для сужения распределения или сферический отжиг для улучшения морфологии. Высокотемпературное вакуумное спекание при температуре до 2000°C обеспечивает получение полностью плотного материала перед механической обработкой.
Свойства из ниобий-титановый порошок
NbTi обладает превосходной проводимостью, магнитными свойствами, прочностью и обрабатываемостью благодаря своему уникальному двухфазному составу.
Сверхпроводящие свойства
NbTi проявляет сверхпроводимость ниже критической температуры, которая зависит от точного состава сплава, но обычно составляет около 10 К. Это делает его хорошо подходящим для применения в системах с охлаждением жидким гелием.
Он относится к сверхпроводникам II типа, обладающим свойствами смешанного состояния. Благодаря этому NbTi обладает самыми высокими критическими магнитными полями и плотностью критического тока среди практических сверхпроводников вблизи абсолютного нуля.
Основные сверхпроводящие свойства
| Недвижимость | Значения |
|---|---|
| Критическая температура (Tc) | 9 - 11 K |
| Критическое магнитное поле (Hc2) | 12 - 15 Тесла |
| Критическая плотность тока (Jc) | 3000 А/мм2 @ 5T, 4.2K |
Механические свойства
Помимо сверхпроводящих способностей, NbTi обладает относительно высокой прочностью благодаря двухфазной смеси ниобия и NbTi. Точные свойства зависят от технологии обработки.
Механические свойства при комнатной температуре
| Недвижимость | Значения |
|---|---|
| Плотность | 6,2 - 6,5 г/куб. см |
| Предельная прочность на разрыв | 500 - 800 МПа |
| Предел текучести (смещение 0,2%) | 400 - 600 МПа |
| Модуль упругости | 52 - 69 ГПа |
| Удлинение | 10 – 25% |
| Твердость | 150 - 300 HV |
Он сохраняет умеренную пластичность для изготовления проволоки или лент, но обладает значительно большей прочностью, чем чистые сверхпроводники, такие как ниобий-титан.
Правильная термическая обработка, такая как выдержка при 400 ̊C, используется для максимального образования мелких осадков, обеспечивающих максимальную прочность и пиннинг флюса для сохранения проводимости через филаменты.
Физические свойства
Физические свойства при комнатной температуре
| Недвижимость | Значения |
|---|---|
| Электрическое сопротивление | 15 - 25 мкм-см |
| Плотность | 6,2 - 6,5 г/см3 |
| Температура плавления | 2350 - 2500°C |
| Теплопроводность | 4-6 Вт/мК |
| Удельная теплоемкость | 265 Дж/кгК |
Приложения ниобий-титановый порошок
Основные области применения ниобий-титановых порошков делятся на две основные категории:
- Применение сверхпроводящих магнитов
- Современные медицинские имплантаты и устройства
Но в настоящее время ведутся исследования по использованию в ускорителях частиц, термоядерной энергии, детекторах и специальных аэрокосмических приложениях.
Сверхпроводящие магниты
- Катушки для аппаратов МРТ
- Высокопольные исследовательские магниты ≥10T
- Ускорители частиц - перенос/фокусировка пучка
- Электромагниты термоядерных токамаков
- Магнитная сепарация
- Индукторы для накопления магнитной энергии
Для этих целей проволока и ленты из NbTi используются для изготовления мощных электромагнитов, охлаждаемых жидким гелием до температуры менее 10 К для создания постоянных сверхтоков высокой плотности с полями 12-15+ Тесла.
Применение в медицине
- Ортодонтические дуги
- Зубные имплантаты
- Пластины для фиксации костей
- Сердечно-сосудистые стенты
- Хирургические имплантаты (немагнитные)
Отличная прочность, пластичность и биосовместимость в сочетании с немагнитностью и невзаимодействием делают NbTi пригодным для изготовления устройств для остеосинтеза, а также современных кардиологических стентов с меньшим риском воспаления или отторжения.
Исследователи также рассматривают NbTi в качестве трубки для сосудистых трансплантатов, стержней для коррекции позвоночника и электродов для электростимуляции, используя его проводящие свойства.
ниобий-титановый порошок Технические характеристики
Порошковая и проволочная продукция из NbTi соответствует различным официальным спецификациям таких организаций, как ASTM International, Европейская фармакопея, а также внутренним стандартам производителей и приложений.
Технические характеристики порошка
Ключевые показатели качества порошка:
- Распределение частиц по размерам
- Морфология порошка - сферическая и угловатая
- Кажущаяся плотность и плотность отвода
- Уровни чистоты - O2, H2, N2
- Сверхпроводящие свойства
ASTM International разработал стандартные методы испытаний для измерения этих характеристик порошка. Например:
| Стандарт | Название | Метод испытания |
|---|---|---|
| ASTM B939 | Стандартный метод испытания на прочность при радиальном раздавливании подшипников и конструкционных материалов, изготовленных методом порошковой металлургии (ПМ) | Сжимаемость / сохранение формы частиц порошка |
| ASTM B243 | Стандартная терминология порошковой металлургии | Определения общих терминов порошковой металлургии |
Технические характеристики проводов
Ключевые показатели для проволоки NbTi включают в себя:
- Диаметр проволоки и допуск
- Очень низкий уровень интерстициальных примесей
- Коэффициент остаточного удельного сопротивления (RRR)
- Критическая температура
- Критическое магнитное поле
- Критическая плотность тока
Сверхпроводящая проволока производится в соответствии со строгими стандартами чистоты для аэрокосмической и военной промышленности, определенными в спецификациях SAE-AMS и Вооруженных сил США, включающих состав, пределы загрязнения, процедуры испытаний и требования к обеспечению качества.
Например, AMS-WWK-5846H охватывает коррозионно- и жаростойкие ниобиевые сплавы в виде прутков, заготовок, поковок, листов, полос и проволоки.
Поставщики и ценообразование
Ниобий-титановый порошок и проволоку производят лишь несколько специализированных поставщиков, учитывая нишу высокотехнологичных применений и необходимое специализированное производственное оборудование.
Ведущие поставщики порошка NbTi
- Ва Чанг (США)
- Ningxia Orient Tantalum Industry (Китай)
- ХК Старк (Германия)
- Phelly Materials (Нидерланды)
Ценообразование
Как специализированный пылевидный интерметаллический материал, ниобий-титановый порошок Заказывает премиальные цены по сравнению с обычными металлами. Стоимость за 100 г может варьироваться от $250 до $500+ в зависимости от чистоты и характеристик частиц.
Лом и переработанный порошок NbTi продается со скидкой в 40% и более по сравнению с ценами на первичный порошок.
В альтернативных формах, таких как проволока, катушка сверхпроводящей проволоки NbTi весом 1 кг продается по цене от $3,000 до $5,000+ в зависимости от количества нитей и обработки.
Сравнение с другими материалами
Ниобий титан против ниобия олова
Ниобий-олово (Nb3Sn) - еще один распространенный сверхпроводник, конкурирующий с NbTi в зависимости от области применения. По сравнению с NbTi, Nb3Sn имеет:
Преимущества
- 50% более высокая критическая напряженность магнитного поля
- Способность сохранять сверхпроводимость при более высоких температурах
Недостатки
- Более сложное производство
- Более хрупкая, с низкой обрабатываемостью
- Дороже (содержит дорогое олово)
Это делает Nb3Sn более подходящим для магнитов со сверхвысоким полем, что оправдывает его более высокую стоимость, в то время как NbTi предлагает наилучшие комплексные характеристики для общих применений с напряженностью поля ниже 12 Тл.
Ниобий-титан против ниобий-циркония
Замена части титана в сплавах NbTi на цирконий создает сверхпроводники NbZr с несколько лучшей пластичностью и обрабатываемостью. Основные отличия от стандартных марок NbTi следующие:
Преимущества NbZr
- Высокая пластичность - лучше для сложного волочения проволоки
- Повышенная обрабатываемость при низких температурах
- Меньше центров прижатия магнитного потока
Преимущества NbTi
- Более низкая стоимость материалов
- Повышенная температурная стабильность
- Более высокая плотность критического тока
Таким образом, NbZr снова конкурирует за специализированные высокопольные магнитные катушки, расширяя границы производительности, в то время как NbTi предлагает лучшую экономичность и хорошо зарекомендовавшие себя коммерческие свойства, удовлетворяющие большинству медицинских и промышленных потребностей.
Ограничения и риски
Несмотря на высокие характеристики в качестве сверхпроводника, ограничения использования ниобий-титана включают:
Стоимость
- Дорогой специализированный материал стоимостью более $250 за 100 г в виде порошка. Это ограничивает его применение дорогостоящими отраслями.
Хрупкость
- Склонны к растрескиванию при чрезмерной обработке/деформации из-за наличия интерметаллических фаз
- Отжиг необходим для сохранения пластичности в процессе производства
Окисление
- Порошок и проволока легко окисляются при температуре выше 400°C
- Производительность снижается под воздействием окислительных кислот/условий
Пределы магнитного поля
- Критическое поле достигает предела в районе 12-15 Т, ограничивая достижимую напряженность поля
- Очень тонкая многофиламентная проволока, необходимая для снижения гистерезисных потерь в режиме переменного тока
Правильное производство, обработка и уплотнение порошка, а также практика волочения проволоки снижают эти проблемы, обеспечивая надежную работу.
Outlook
Согласно прогнозам, мировой спрос на ниобий-титан будет стабильно расти на 6-8% в год, в основном за счет производства и модернизации аппаратов МРТ, а также за счет расширения использования коллайдеров для исследования частиц.
Потенциал роста также существует в области магнитной сепарации для горнодобывающей промышленности и совершенствования высокотемпературных сверхпроводников для компактных термоядерных источников энергии следующего поколения, если технология продолжит развиваться до коммерческой жизнеспособности.
Благодаря высоким барьерам для входа на рынок, существующие поставщики NbTi имеют все шансы извлечь выгоду из растущего потребления в медицине, науке и потенциальных будущих энергетических секторах. Переработка лома NbTi также помогает дополнить производство первичного порошка.
Вопросы и ответы
Для чего используется ниобий-титановый порошок?
- В основном используется для производства сверхпроводящей проволоки и лент для высокопольных магнитов МРТ, ускорителей частиц, термоядерных реакторов, специализированных промышленных магнитов и т.д. Также используется для медицинских имплантатов и устройств благодаря своей биосовместимости, прочности и немагнитным свойствам.
Каково типичное процентное содержание ниобия и титана в NbTi?
- Содержание ниобия по весу составляет 40-75%, остаток приходится на титан. Фактические составы варьируются в зависимости от области применения для оптимизации свойств - например, большее количество Nb для более высокой температурной стабильности.
Каков метод производства порошка NbTi?
- Основными способами производства являются газовое распыление индукционно расплавленных слитков или гидридно-дегидридная обработка для дробления и измельчения лома/слитка в порошок. Оба метода позволяют получить необходимую мелкозернистую микроструктуру.
Какова критическая температура NbTi?
- Критическая температура, при которой NbTi переходит в сверхпроводящее состояние, составляет 9-10,5 К в зависимости от точного состава. Это делает его хорошо подходящим для применения в системах охлаждения жидким гелием.
Какие еще бывают сверхпроводники на основе ниобия?
- Наиболее распространен NbTi, но ниобий-олово (Nb3Sn) обеспечивает более высокую напряженность поля для специализированных магнитов. Менее распространен ниобий-цирконий (NbZr), обладающий некоторыми преимуществами в пластичности, но более низкой общей проводимостью, чем NbTi при температурах, близких к абсолютному нулю.
Является ли ниобий-титан сверхпроводником первого или второго типа?
- NbTi относится к сверхпроводникам II типа, то есть в приложенном магнитном поле между первой и второй критической напряженностью поля он параллельно демонстрирует как нормальное, так и сверхпроводящее состояние. Это обеспечивает высокую критическую плотность тока.
Вызывает ли опасения деградация NbTi?
- При температуре выше 400°C ухудшение характеристик из-за окисления может стать проблемой. Поддержание защитной инертной атмосферы важно при обработке порошка и производстве проволоки. Изоляция проволоки NbTi в эпоксидной матрице помогает защититься от окисления во время эксплуатации.
