晶粒尺寸与热处理退火对纳米晶Nb-47wt.%Ti合金力学性能及超导性能的影响

《Journal of Materials Science & Technology》：Effect of grain size and thermal annealing on the mechanical and superconducting properties of nanograined Nb-47wt.%Ti alloy

　　

• 通过HPT（高压扭转）制备了晶粒尺寸低至19 nm的Nb-47wt.%Ti合金，实现了晶粒细化伴随的连续硬度提升。
• 最优晶粒尺寸约为55 nm，实现了性能平衡：硬度2.9 GPa，Tc 8.63 K，Jc 30.9 kA/cm2（4.2 K，5 T）。
• 晶粒细化至约55 nm以下会削弱超导鲁棒性，导致Tc、Jc和Hc2显著降低。
• 将55 nm样品在400°C退火诱导α-Ti纳米析出和晶粒粗化至约85 nm，优化了强度-超导性匹配。

引言
铌钛（Nb-Ti）合金是大型超导磁体（包括磁共振成像、核磁共振和粒子加速器）中最主流的商用低温超导体，凭借其优异的延展性、可制造性和成本效益 [1,2]。其超导性能主要来源于富铌基体，确保约9 K的高超导临界温度（Tc）[3]，结合细密分散的α-Ti析出相，作为有效的磁通钉扎中心，在4.2 K和5 T下实现70–300 kA/cm2的临界电流密度（Jc）[3,4]。Nb-Ti导体的高场能力主要受控于磁通钉扎效率、载流能力以及相关工作温度范围内的上临界场。在实际应用中，超导线圈在高温电磁应力和反复热循环下工作。这要求导体材料不仅具有高Jc，还需具备足够的机械强度以防止不可逆退化或灾难性失效。然而，常规超导Nb-Ti线的强度仍然较低，典型屈服强度约为120 MPa [5]。因此，提高Nb-Ti合金的机械性能对导体可靠性具有实际应用价值。

将金属晶粒细化至纳米尺度可以有效提高纳米晶金属的屈服强度 [6,7]，主要是因为引入了超高密度的晶界。这种微观结构工程也会影响超导材料的物理性能 [8,9]。例如，通过高压扭转（HPT）进行的剧烈塑性变形（SPD）据报道可显著强化经典超导体系纯铌，同时保留甚至略微提高Tc [10]。此外，晶界和位错可以作为有效的磁通钉扎中心，相关研究 [11,12] 已验证晶粒细化可产生升高的体积钉扎力（Fp）和增强的Jc。

然而，对于Nb-Ti合金，严重晶粒细化的效应预计更为复杂。作为经典的脏极限超导体，Nb-Ti表现出独特的物理机制，其中Ti溶质本征散射、工艺引入的外征缺陷和超导序参量之间的复杂相互作用从根本上区别于纯金属和干净极限超导体 [13,14]。尽管晶粒细化引入的缺陷和无序可能改变电子散射和涡旋钉扎，但预计不会普遍有益。尽管对常规Nb-Ti超导体进行了广泛研究，但极端晶粒细化（从超细晶到纳米晶范围）以及相关高结晶缺陷密度对核心超导参数（Tc、Jc和上临界场（Hc2））的影响仍不够清楚。

在本研究中，我们采用HPT制备了一系列晶粒尺寸从微米级到19 nm的Nb-47wt.%Ti合金，系统地将微观结构演变与机械和超导性能相关联。我们确定了最优晶粒尺寸（约55 nm），最大化了缺陷介导的磁通钉扎与保留的轨道受限Horb2(0)和高Tc（约8.63 K）之间的协同作用，同时实现了增强的Jc 30.9 kA/cm2（4.2 K，5 T）和硬度2.9 GPa，而晶粒尺寸更大或更小的样品均表现出性能退化。此外，对该优化纳米晶样品进行变形后退火，进一步提高了Tc（约9.19 K）和Jc（约32 kA/cm2，4.2 K，5 T），同时通过缺陷恢复、基体成分重新分配和α-Ti相关的钉扎贡献保持高机械强度（约3 GPa）。本研究为Nb-Ti合金超导和机械性能的同步调控提供了机制见解。

节选片段
材料和处理
本研究调查的材料为Nb-47wt.%Ti合金，实测化学成分见补充材料中的表S1。从固溶锭棒切割出板状样品（5 mm × 5 mm × 0.8 mm），作为粗晶（CG）参考态，并表现出体心立方（β-BCC）晶体结构（图1(a和b)）。HPT处理在室温下使用一对矩形平模进行，在10 GPa施压...

变形后不同晶粒尺寸样品的微观结构
经过一次HPT处理（单周转动），获得了短轴为351 ± 149 nm的拉长结构（称为UFG样品，图2(a和e)）。TEM成像揭示了该层状形态内的位错亚结构。当HPT转动次数增加到10次（剪切应变：22.7），进一步晶粒细化形成了纳米晶结构（图2(b)）。暗场TEM分析得出平均值55 ± 10 nm（称为NG-55样品）。位错...

结论
在本研究中，通过HPT制备了一系列晶粒尺寸低至19 nm的Nb-47wt.%Ti合金。开展了系统研究以阐明晶粒细化和热退火对机械和超导性能的影响。

晶粒细化产生强烈的强化效应，随着晶粒尺寸减小硬度单调增加，这是因为纳米晶范围内晶界强化占主导地位。超导性能...

数据可用性
支持本研究结果的数据可向通讯作者合理请求获取。

CRediT作者贡献声明
赵燕：撰写 – 初稿、方法学、调查、数据整理。张保兵：撰写 – 审阅与编辑、撰写 – 初稿、监督、方法学、经费获取、概念构思。李秀岩：撰写 – 审阅与编辑、监督、经费获取、概念构思。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。

致谢
本研究得到中国科学院战略性先导科技专项（项目编号：XDB0510400）、中国科学技术部（编号：2024YFA1208001）、国家自然科学基金委员会（项目编号：52471149和52225102）以及中国科学院青年创新促进会（项目编号：2023201）的支持。

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