DE2320107B2 - Superconducting alloy - Google Patents
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Description
daß bei einer geringeren Menge als 2 Atomprozent kerne genügende Steigerungswirkung auf die kritische Stromdichte erhältlich ist, die sich durch die Verfeinerung der Kristallite ergibt, während sich bei Erhöhung der Yttriummenge über 15 Atomprozent die Verformbarkeit des Materials verschlechtert. Eine Verformbarkeit des Materials ist allerdings trotz Erhöhung der Yttriummenge möglich, falls die Schmelze rapide abgekühlt wird. Daher wurde die Yttriummenge im Bereich von 2 bis 15 Atomprozenl festgelegt, in dem to die kritische Stromdichte hoch ist, wie die F i g. 2 und 3 zeigen.that with a smaller amount than 2 atomic percent nuclei sufficient increasing effect on the critical Current density is obtainable, which results from the refinement of the crystallites, while it results from increasing the amount of yttrium above 15 atomic percent worsens the deformability of the material. A deformability of the material is possible despite an increase in the amount of yttrium if the melt cools down rapidly will. Therefore, the amount of yttrium was set in the range of 2 to 15 atomic percent, in which to the critical current density is high, as shown in FIG. 2 and 3 show.
Zusätzliche Untersuchungen ergaben, daß sich der Zusatz von Zirkonium zu der erfindungsgemäßen Niob-Titan Yttrium-Legierung in einer weiteren Steigerung der kritischen Stromdichte auswirkt. Die zuzusetzende Zirkoniummenge muß im Bereich von 1 bis 15 Atomprozent liegen, da ein geringerer Zusatz als 1 Atomprozent praktisch wirkungslos ist, während der Zusatz einer größeren Menge Zirkonium als ao 15 Atomprozent zu einer Verschlechterung der Verformbarkeit des Materials führt. Es ist zweckmäßig, diese Ergebnisse als Nachweis der Wirkung des Zusatzes von Yttrium zur an sich bekannten Niob-Titan-Zirkonium-Basis-Legierung und nicht als neue Ent- »5 deckung der Wirkung von Zirkonium zu verstehen. Um die Wirkung des Yttriums auf ternäre Legierungen aus im wesentlichen Niob und Titan mit Zusatz eines anderen dritten Elements als Zirkonium zu bestimmen, wurde eine Versuchsreihe durchgeführt, in der man Yttrium diesen Legierungen zusetzte, wobei sich zeigte, daß der Zusatz von Yttrium zu diesen Legierungen mit Hafnium, Vanadin, Tantal, Aluminium oder Molybdän als drittem Element zwar eine Kornverfeinerungswirkung bringt, jedoch keine Wirkung zur Erhöhung der kritischen Stromdichte hat.Additional studies showed that the addition of zirconium to the invention Niobium-titanium-yttrium alloy has the effect of further increasing the critical current density. The one to be added The amount of zirconium must be in the range from 1 to 15 atomic percent, since it is a lower addition than 1 atomic percent is practically ineffective, while the addition of a larger amount of zirconium than ao 15 atomic percent leads to a deterioration in the deformability of the material. It is appropriate these results as evidence of the effect of adding yttrium to the known niobium-titanium-zirconium-based alloy and not to be understood as a new discovery of the effects of zirconium. To the effect of the yttrium on ternary alloys consisting essentially of niobium and titanium with the addition of a To determine a third element other than zirconium, a series of tests was carried out in which one Yttrium added to these alloys, and it was found that the addition of yttrium to these alloys with hafnium, vanadium, tantalum, aluminum or molybdenum as the third element, it has a grain-refining effect brings, but has no effect to increase the critical current density.
Es wurde festgestellt, daß die erfindungsgemäßen supraleitenden Legierungen mit einer stabilen hohen kritischen Stromdichte und einer ausgezeichneten Verformbarkeit bevorzugt solche sind, die aus 20 bis 50 Atomprozent Niob, 2 bis 6 Atomprozent Yttrium, Rest Titan bestehen, wenn es sich um die Niob-Titan-Yttrium-Legierung handelt, und daß sie zusätzlich 2 bis 6 Atomprozent Zirkonium enthalten, wenn es um die Niob-Titan-Zirkonium-Yttrium-Legierung geht.It has been found that the superconducting alloys of the present invention have a stable high critical current density and excellent deformability are preferred those selected from 20 to If it is a niobium-titanium-yttrium alloy, there is 50 atomic percent niobium, 2 to 6 atomic percent yttrium, the remainder titanium is, and that they additionally contain 2 to 6 atomic percent zirconium, if it is the niobium-titanium-zirconium-yttrium alloy goes.
Die Erfindung soll an Hand von Beispielen näher erläutert werden.The invention is to be explained in more detail by means of examples.
In den Beispielen wurden die Proben durch Schmelzen von Niob, Titan und Yttrium oder von Niob, Titan, Yttrium und Zirkonium in bestimmten Mengen mit einem Gesamtgewicht von 100 g in einer Argonatmosphäre in einem elektrischen Lichtbogenofen unter Verwendung einer nicht abschmelzenden Elektrode zur Bildung einer Knopf probe, weiter durch Schneiden eines etwa 6 rnm2 messenden quadratischen Stückes aus der Knopfprobe, durch einstündiges Lösungsglühen dieses Stückes bei 1000°C, Überziehen des Stückes mit Kupfer, Kaltverformen des damit überzogenen Stückes bei Raumtemperatur, bis die supraleitende Kernlegierung zu einem Draht mit 0,16 mm Durchmesser verformt war, und anschließende Alterungswärmebehandlung des Drahtes von 100 Stunden bei 35O0C hergestellt. Die kritische Stromdichte jeder Probe wurde in flüssigem Helium bei 4,20K gemessen, indem man die Probe in ein äußeres Magnetfeld in einer solchen Lage einsetzte, daß die Stromleitrichtung in rechten Winkeln zum Magnetfeld stand. In den folgenden Beispielen sind sämtliche Prozentangaben der Legierungszusammensetzungen Atomprozentangaben.In the examples, the samples were sampled by melting niobium, titanium and yttrium or niobium, titanium, yttrium and zirconium in certain amounts with a total weight of 100 g in an argon atmosphere in an electric arc furnace using a non-consumable electrode to form a button , further by cutting a square piece measuring about 6 mm 2 from the button sample, by solution annealing this piece at 1000 ° C for one hour, coating the piece with copper, cold forming the coated piece at room temperature until the superconducting core alloy becomes a wire with 0, 16 mm diameter was deformed, and subsequent aging heat treatment of the wire of 100 hours at 35O 0 C. The critical current density of each sample was measured in liquid helium at 4.2 ° K by placing the sample in an external magnetic field in such a position that the direction of current conduction was at right angles to the magnetic field. In the following examples, all percentages of the alloy compositions are atomic percentages.
Die kritischen Stromdichten einer Legierung mit 35 % Niob und 65 % Titan sowie einer Legierung mit 35 % Niob, 62,5 % Titan und 2,5 % Yttrium in äußeren Magnetfeldern von 10 kOe bzw. 70 kOe sind in der folgenden Tabelle 1 angegeben: Es wurde gefunden, daß die Yttrium enthaltende Legierung eine äußerst hohe kritische Stromdichte insbesondere im Bereich starker magnetischer Felder aufweist.The critical current densities of an alloy with 35% niobium and 65% titanium and an alloy with 35% niobium, 62.5% titanium and 2.5% yttrium in outer Magnetic fields of 10 kOe or 70 kOe are given in the following table 1: It was found that the yttrium-containing alloy has an extremely high critical current density, especially in the area has strong magnetic fields.
Probesample
35% Nb; 65% Ti ..
35% Nb; 62,5% Ti;
2,5%Y 35% Nb; 65% Ti ..
35% Nb; 62.5% Ti;
2.5% Y
Kritische Stromdichte (A/cm«)Critical current density (A / cm «)
lOkOe 7OkOelOkOe 7OkOe
3,5 · 108 4,0 · 105 3.5 · 10 8 4.0 · 10 5
4,0 · 10* 6,2 · 10«4.0 · 10 * 6.2 · 10 «
Es wurde weiter gefunden, daß Titanlegierungen mit einer festen Menge von 25% Niob bei teilweisem Ersatz des Titans durch eine wechselnde Menge von bis zu 10% Yttrium äußerst hohe kritische Stromdichten im Bereich schwacher magnetischer Felder aufweisen, wie die Tabelle 2 zeigt: Eine Titanlegierung mit 15 Atomprozent Yttrium war zur Verformung ungeeignet.It was further found that titanium alloys with a fixed amount of 25% niobium in partial Replacement of the titanium by a changing amount of up to 10% yttrium extremely high critical current densities in the range of weak magnetic fields, as Table 2 shows: A titanium alloy with 15 atomic percent yttrium was unsuitable for deformation.
Probesample
25% Nb; 75% Ti 25% Nb; 75% Ti
25% Nb; 72,5%Ti;25% Nb; 72.5% Ti;
2,5% Y2.5% Y
25%Nb;7Ö%TiV5%Y"
25% Nb; 65% Ti; 10% Y
25%Nb;60%Ti;15%Y25% Nb; 70% TiV5% Y "
25% Nb; 65% Ti; 10% Y
25% Nb; 60% Ti; 15% Y
Kritische Stromdichte (A/cm1)Critical current density (A / cm 1 )
lOkOe I 7OkOelOkOe I 7OkOe
4,4 · 106 4.4 · 10 6
6,7 · 105 7,4 · 10B 7,2 · 10B 6.7 x 10 5 7.4 x 10 B 7.2 x 10 B
4,9 · 10*4.9 · 10 *
5,8· 5,5· 5,0·5.8 x 5.5 x 5.0
10* 10* 10*10 * 10 * 10 *
nicht verformbarnot deformable
Die kritischen Stromdichten einer Legierung mit 35% Niob, 62,5% Titan und 2,5% Zirkonium und einer Legierung mit 25% Niob, 60% Titan, 2,5% Zirkonium und 2,5% Yttrium wurden in äußeren Magnetfeldern von lOkOe und 7OkOe gemessen, und die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 angegeben: Die Legierung mit Yttriumgehalt zeigte eine äußerst höh« kritische Stromdichte insbesondere im Bereich starkei magnetischer Felder.The critical current densities of an alloy with 35% niobium, 62.5% titanium and 2.5% zirconium and an alloy with 25% niobium, 60% titanium, 2.5% zirconium and 2.5% yttrium were exposed to external magnetic fields of 10KOe and 7OkOe measured, and the results are given in Table 3: The Alloy with yttrium content showed an extremely high critical current density, especially in the high range magnetic fields.
Probesample
35% Nb; 62,5% Ti;35% Nb; 62.5% Ti;
2,5% Zr 2.5% Zr
35% Nb; 60% Ti;35% Nb; 60% Ti;
2,5% Zr; 2,5% Y2.5% Zr; 2.5% Y
Kritische Stromdichte (A/cma)Critical current density (A / cm a )
10 kOe 70 kOe10 kOe 70 kOe
4,5 · 10s 5,1 · 106 4.5 x 10 s 5.1 x 10 6
7.1 · 101 7.1 · 10 1
8.2 · 104 8.2 · 10 4
Titanlegierungen mit einer festen Menge von 25/ Niob und einer festen Menge von 2,5 % Zirkonium, beTitanium alloys with a fixed amount of 25 / niobium and a fixed amount of 2.5% zirconium, be
denen das Titan teilweise durch verschiedene Mengen von weniger als 10% Yttrium ersetzt war, besaßen äußerst hohe kritische Stromdichten insbesondere im Bereich schwacher magnetischer Felder, wie die Tabelle 4 zeigt:which the titanium was partially replaced by various amounts of less than 10% yttrium extremely high critical current densities, especially in the area of weak magnetic fields, such as Table 4 shows:
Probesample
25°/ Nb* 72 S0/ Ti·25 ° / Nb * 72 S 0 / Ti
2,5°/ Zr
25% Nb; 70% Ti;"'2.5 ° / Zr
25% Nb; 70% Ti; "'
2,5% Zr; 2,5% Y
25% Nb; 67,5% Ti;2.5% Zr; 2.5% Y
25% Nb; 67.5% Ti;
2,5% Zr; 5% Y ..
25% Nb; 62,5% Ti;2.5% Zr; 5% Y ..
25% Nb; 62.5% Ti;
2,5% Zr; 10% Y .
25% Nb; 57,5% Ti;2.5% Zr; 10% Y.
25% Nb; 57.5% Ti;
2,5% Zr; 15% Y .2.5% Zr; 15% Y.
Kritische Stromdichte
(A/cm·)Critical current density
(A / cm)
lOkOe 7OkOelOkOe 7OkOe
8,5 · 10s 8.5 x 10 s
9,3 · 106 9.3 · 10 6
10,0 · 10B 10.0 x 10 B
9,5 · 10B 9.5 x 10 B
3,6 · 104
5,2 · 10*
4,8 · 104
4,0 · 10«3.6 · 10 4
5.2 · 10 *
4.8 · 10 4
4.0 · 10 «
nicht verformbarnot deformable
Die Legierung mit 15 % Yttrium war nicht verformbar. Jedoch läßt sich die Verformbarkeit dieser Legierung wiedergewinnen, und das Kaltziehen dieser Legierung zu einem Draht mit 0,15 mm Durchmesser wird möglich, wenn die Durchschnittskorngröße der yttriumreichen zweiten Phase durch Ausnutzung der Trennung in zwei flüssige Phasen auf unter 5 μτα reduziert wird. Die Verformbarkeit der Legierungen wurde auf Grund ihrer Härte bewertet. Man hatte folgende Resultate:The 15% yttrium alloy was not deformable. However, the ductility of this alloy can be regained, and the cold drawing of this alloy into a wire with 0.15 mm diameter becomes possible if the average grain size of the yttrium-rich second phase is reduced to below 5 μτα by utilizing the separation into two liquid phases. The deformability of the alloys was rated based on their hardness. The results were as follows:
Bekannte LegierungenWell-known alloys
35% Nb; 65%Ti HV 168 kp/mma 35% Nb; 65% Ti HV 168 kp / mm a
35% Nb; 62,5% Ti; 2,5% Zr .. HV 180 kp/mm* Erfindungsgemäße Legierung
35%Nb;61%Ti;4%Y HV130kp/mm2 35% Nb; 62.5% Ti; 2.5% Zr .. HV 180 kp / mm * Alloy according to the invention
35% Nb; 61% Ti; 4% Y HV130kp / mm 2
Eine Probe jeder zur Härteprüfung vorgesehenen Legierung wurde in folgender Weise hergestellt: Das Legierungsmaterial wurde homogen in einer Argonatmosphäre mittels eines Nichtabschmelzelektroden-Lichtbogens bei einer Temperatur über 27000C geschmolzen und nach dem Haiten der Schmelze unter Rühren im Zweiphasentrennungstemperaturbereich über 24000C in eine wassergekühlte Form von 5 mm Durchmesser und 40 mm Länge gegossen, um einen Block der Legierung zu bilden. Dann wurde der Legierungsblock einer Lösungsglühbehandlung von 1 Stunde bei 10000C unterworfen.A sample of each is provided for hardness test alloy was produced in the following manner: The alloy material was homogeneously in an argon atmosphere by means of an unconsumable-arc at a temperature over 2700 0 C melted and after the Haiten the melt with stirring in a two phase separation temperature range above 2400 0 C in a water-cooled Mold 5 mm in diameter and 40 mm in length cast to form an ingot of the alloy. The alloy block was then subjected to a solution heat treatment at 1000 ° C. for 1 hour.
Aus dem Gesamtüberblick der Tabellen 1 bis 4 ergibt sich, daß es zur Erhöhung der kritischen Stromdichte im Schwachmagnetfeldbereich erforderlich ist, den Anteil des Niobs unter etwa 30 Atomprozent zu senken und etwa 2,5 Atomprozent Yttrium zuzusetzen, während es zur Erhöhung der kritischen Stromdichte im Starkmagnetfeldbereich erforderlich ist, die Menge an Niob auf über etwa 30 Atomprozent zu steigern und etwa 5 Atomprozent Yttrium zuzusetzen. Die Versuchsdaten bezüglich der Alterungsbehandlung sind in F i g. 1 gezeigt. Die Nb-Ti-Basis- und Nb-Ti-Zr-Basis-Legierungen haben, wenn sie einer Wärmebehandlung bei 3500C unterworfen sind, in der /3-Phasen-Matrix gebildete «-Phasen-Ausscheidungen, die die kritische Stromdichte der Legierungen erhöhen. Die für die Alterungsbehandlung erforderlichen Zeiten sind:From the overall overview of Tables 1 to 4 it can be seen that in order to increase the critical current density in the weak magnetic field range, it is necessary to reduce the proportion of niobium below about 30 atomic percent and to add about 2.5 atomic percent of yttrium, while it is necessary to increase the critical current density in the Strong magnetic field is required to increase the amount of niobium to about 30 atomic percent and add about 5 atomic percent yttrium. The experimental data relating to the aging treatment are shown in FIG. 1 shown. The Nb-Ti-based and Nb-Ti-Zr-based alloys have, when they are subjected to a heat treatment at 350 ° C., «-phase precipitates formed in the / 3-phase matrix, which have the critical current density of the Increase alloys. The times required for aging treatment are:
Nb-Ti-Legierung mehrere tausendNb-Ti alloy several thousand
ίο Stunden,ίο hours,
Nb-Ti-Zr-Legierung 200 bis 400 Stunden,Nb-Ti-Zr alloy 200 to 400 hours,
Erfindungsgemäße Legierung 0 bis 100 Stunden.Alloy according to the invention 0 to 100 hours.
Die in dieser Anmeldung sogenannte »Zweiphasentrennung« bedeutet, die Schmelze bei einer Temperatur (2400 bis 2700° C) zu halten, bei der die Zweiphasentrennung auftritt, und die Schmelze dann rapide abzukühlen. Die so erhaltene Mehrphasenstruktur weist eine hohe kritische Stromdichte auf. Wie die F i g. 4 aThe so-called "two-phase separation" in this application means the melt at one temperature (2400 to 2700 ° C) at which the two-phase separation occurs, and then rapidly cool the melt. The multiphase structure obtained in this way has a high critical current density. As the F i g. 4 a
ao bis 4c zeigen, erhält man im Fall der Nb-Ti-Zusammensetzung (F i g. 4 a) eine /3-Phasen-Nb-Ti-Legierung, und eine »-Ti-Phase scheidet sich durch Alterungsbehandlung aus. Im Fall der Nb-Ti-Y-Zusammensetzung trennt sich die Schmelze in zwei flüssigeao to 4c are obtained in the case of the Nb-Ti composition (Fig. 4 a) a / 3-phase Nb-Ti alloy, and a »-Ti phase is precipitated by aging treatment. In the case of the Nb-Ti-Y composition the melt separates into two liquid ones
as Phasen, d. h. eine Y-reiche Z^-Phase und eine im wesentlichen aus Nb-Ti bestehende Ljj-Phase (F i g. 4b), und man erhält ein Eutektikum der /S-Phase Nb-Ti und der Y-reichen Phase aus « Ti + « Y (F i g. 4c) durch Abkühlen der in die zwei flüssigen Phasen ge-as phases, d. H. a Y-rich Z ^ phase and an im Ljj phase consisting essentially of Nb-Ti (Fig. 4b), and one obtains a eutectic of the / S phase Nb-Ti and the Y-rich phase from "Ti +" Y (FIG. 4c) by cooling the two liquid phases
trennten Schmelze. Als Formel ausgedrückt ergibt sich:separated melt. Expressed as a formula:
(Nb — Ti — Y) -> β (Nb — Ti) + «(Ti — Y)(Nb - Ti - Y) -> β (Nb - Ti) + «(Ti - Y)
Eine weitere Alterungsbehandlung der /S-Phase Nb-Ti führt zur Ausscheidung einer «-Ti-Phase, die die Supraleitfähigkeit der Legierung weiter verbessert.A further aging treatment of the / S-phase Nb-Ti leads to the precipitation of a «-Ti-phase, the the superconductivity of the alloy is further improved.
Die Abkühlungsgeschwindigkeit ist üblicherweiseThe cooling rate is common
im Durchschnitt 5 bis 7°C/Sekunde im Fall der wassergekühlten Form, und eine höhere Abkühlungsgeschwindigkeit führt zur Bildung von kleineren Kristalliten und zu einem Anstieg der kritischen Stromdichte (Fig. 5 und 6).5 to 7 ° C / second on average in the case of the water-cooled form, and a higher cooling rate leads to the formation of smaller crystallites and an increase in the critical ones Current density (Figures 5 and 6).
Die Legierungen gemäß der Erfindung haben gegenüber den bekannten Legierungen aus Nb-Ti und Nb-Ti-Zr die folgenden Vorteile:The alloys according to the invention have compared to the known alloys of Nb-Ti and Nb-Ti-Zr has the following advantages:
(1) Die kritische Stromdichte ist hoch.(1) The critical current density is high.
(2) Die Alterungszeit ist relativ kurz und ermöglicht eine wesentliche Verringerung der gesamten Verarbeitungszeit bei der Herstellung.(2) The aging time is relatively short and enables a substantial reduction in the total processing time in the preparation of.
(3) Eine hohe kritische Stromdichte läßt sich einfach durch Erzeugen eines Blockes mittels Zweiphasentrennung erhalten.(3) A high critical current density can be obtained simply by creating a block by means of two-phase separation obtain.
(4) Die kritische Stromdichte läßt sich durch Kombination der bekannten Wärmebehandlung und Verformung erhöhen.(4) The critical current density can be determined by combining the known heat treatment and Increase deformation.
(5) Die Legierungen haben eine ausgezeichnete plastische Verformbarkeit (5) The alloys are excellent in plastic deformability
So ist es erfindungsgemäß möglich, die kritische stromdichte der Niob-Titan-Basislegierurigen merklich zu verbessern.It is thus possible according to the invention to noticeably reduce the critical current density of the niobium-titanium base alloys to improve.
Claims (6)
unreinigungen besteht. ao Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-3, characterized in that it consists of 20 to The invention is based on the object of improving the 50 atomic percent niobium, 2 to 6 atomic percent yttri-critical current density properties of niobium-titanium, the remainder titanium and manufacturing-related Ver-based alloys,
impurities. ao According to the invention, this object is achieved by
rangen auf Niob-Titan-Basis. F i g. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Bezie-The invention relates to superconducting alloy current density of the alloy according to the invention,
wrestling on a niobium-titanium basis. F i g. 3 a diagram to explain the relationship
gekühlt wird. F i g. 4a, 4b, 4c Gleichgewichtsdiagramme derSuperconductivity is the phenomenon in which the elec- tion between the amount of yttrium and the critical resistance of a certain material becomes zero 40 current density of the alloy according to the invention when it is at extremely low temperatures.
is cooled. F i g. 4a, 4b, 4c equilibrium diagrams of the
Stoffe, sind durch drei Faktoren gekennzeichnet, näm- F i g. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Bezie-Substances with this property, i. superconducting systems Nb-Ti, Nb-Y and Ti-Y,
Substances are characterized by three factors, namely- F i g. 5 a diagram to explain the relationship
betrachtet, der für Spulen von supraleitenden Magneten F<c .'· Diagramm zur Erläuterung der Bezie-Lich by the critical temperature Tc, the critical hung between the cooling rate and field Hc and the critical current Ic. Now the average grain size of the second phase of these three factors of a superconducting material will be invented. <i ben alloy and
considered, which for coils of superconducting magnets F <c. 'Diagram to explain the relationship
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