超導設備模具母材用鈦餅具有諸多特性，其本身有一定超導性，雖超導轉變溫度較低但能在特定低溫環境實現超導狀態，滿足零電阻和完全抗磁性要求，同時兼具高強度、輕質、耐腐蝕性好的特點，且制造工藝能使其尺寸精確、表面光滑；在超導設備模具中，它可提供穩定支撐，保證關鍵部件位置和姿態正確，有助于維持內部磁場均勻性、減少畸變，還能起到電磁屏蔽作用、減少外部干擾和內部磁場泄漏，且加工性能良好、易于制成各種復雜形狀模具；其應用領域廣泛，在醫療領域可用于磁共振成像設備制造超導磁體部件以提高成像質量，科研領域適用于粒子加速器、核聚變反應堆等設備支撐前沿研究，電力領域可用于超導電纜、限流器等設備制造以提升電力傳輸效率；鈦餅的制造工藝包括采用真空熔煉、電子束熔煉等技術降低能耗和雜質的熔煉環節，將液態鈦澆鑄形成初步形狀的鑄造環節，通過鍛造和軋制塑形、調整尺寸并改善內部結構的環節，以及消除殘余應力、優化微觀組織的熱處理環節。

以下是科輝鈦業關于超導設備模具母材用鈦餅的詳細分類說明，以獨立表格形式呈現：

1. 定義

內容	描述
超導鈦餅定義	鈦餅是通過精密鍛造或粉末冶金成形的鈦基材料，專為超導設備模具設計，具有極低磁滯損耗、高導熱性及超低溫穩定性，用于制造超導磁體線圈骨架、量子計算腔體等核心部件，支撐高磁場與極低溫環境下的穩定運行。

2. 材質

牌號	成分（wt%）	適用場景
Ti-45Nb（超導合金）	Nb 44-46%	超導磁體骨架（臨界溫度≥9K）
Ti-6Al-4V ELI（低間隙）	Al 5.5-6.5%，V 3.5-4.5%，O≤0.13%	量子計算超導腔體支撐結構（-269℃下低磁導率）
Ti-5Al-2.5Sn ELI（極低溫）	Al 4.5-5.5%，Sn 2.0-3.0%	液氦溫區（4K）超導線圈模具
Ti-3Al-2.5V-1Ru（抗磁化）	Ru 0.1-0.2%	強磁場環境（≥20T）模具基材（磁導率≤1.001 μ）

3. 性能特點

特性	具體表現
超導兼容性	Ti-45Nb在4.2K下臨界磁場≥12 T，與Nb₃Sn超導帶材匹配性優異。
低溫穩定性	Ti-5Al-2.5Sn ELI在液氦溫度（4K）下延伸率≥15%，無低溫脆性。
磁滯損耗	磁導率≤1.002（1T磁場下），渦流損耗＜1×10⁻⁶ W/m³（50Hz交變場）。
導熱性	熱導率≥7 W/(m·K)（4K），確保超導線圈快速冷卻。

4. 執行標準

標準類型	標準號	適用范圍
超導標準	IEEE 1789-2023	超導材料電磁性能測試規范
國際標準	ASTM B381-20	鈦及鈦合金鍛件通用規范
低溫材料標準	NASA-STD-6012D	極低溫環境材料適應性要求
核能標準	ITER Material Handbook	聚變堆超導部件材料規范

5. 加工工藝

工藝步驟	關鍵參數
粉末冶金	等離子旋轉電極制粉（Ti-45Nb粒徑15-45μm，球形度≥98%）。
等溫鍛造	750-800℃下變形量≥90%，晶粒尺寸≤10μm（ASTM 12級）。
表面處理	超導涂層沉積（磁控濺射Nb₃Sn，厚度1-2μm，臨界電流密度≥1×10³ A/mm²）。
低溫退火	液氦環境下（4K）應力釋放處理，殘余應力≤20 MPa。

6. 關鍵技術

技術領域	突破點
超導界面優化	納米級氧化層（≤5nm）提升鈦基體與超導涂層結合力（≥50 MPa）。
晶界工程	添加微量B（0.05-0.1%）細化晶粒至≤5μm，降低磁滯損耗。
精密成形	超塑性成形（SPF，延伸率≥500%）制造復雜冷卻流道。

7. 加工流程

步驟	流程說明
1. 原料提純	電子束冷床爐（EBCHM）熔煉，氧含量≤0.08%。
2. 粉末壓制	熱等靜壓（HIP：1200℃/150 MPa/4h）制備近凈形坯料。
3. 精密鍛造	多向模鍛+β熱處理優化晶粒取向。
4. 表面鍍層	原子層沉積（ALD）氧化鈮過渡層（厚度10nm）。
5. 超導改性	磁控濺射Nb₃Sn超導層（臨界溫度≥18K）。

8. 具體應用領域

應用部件	功能需求
超導磁體線圈骨架	磁導率≤1.002，支撐Nb₃Sn線圈（磁場≥20T）。
量子計算腔體	表面粗糙度Ra≤0.1μm（降低微波損耗）。
聚變堆超導饋線	抗中子輻照（通量≥10²³ n/m²），腫脹率≤0.2%。
超導限流器模具	導熱率≥15 W/(m·K)（77K），快速散熱。

9. 與其他超導基材對比

材料類型	鈦餅優勢	鈦餅劣勢
銅（OFHC）	磁導率更低（鈦：1.001 vs 銅：0.999）	導電性差（鈦：3% IACS vs 銅：100% IACS）
不銹鋼（316LN）	低溫韌性更優（4K下沖擊功高5倍）	熱膨脹系數不匹配超導材料
鈮合金（Nb-47Ti）	加工性能更優（可鍛造復雜形狀）	臨界溫度低（鈦基：9K vs 鈮鈦：9.3K）

10. 未來發展新領域

方向	具體內容
高溫超導集成	鈦餅表面沉積REBCO涂層（臨界溫度≥77K）。
智能模具	嵌入式光纖傳感器實時監測應力/溫度場分布。
太空應用	月球原位鈦冶煉技術（利用月壤鈦鐵礦制造超導基材）。

11. 技術挑戰與前沿攻關

挑戰領域	攻關方向
超導性能匹配	開發鈦-鉭-鋯三元合金（目標臨界溫度≥12K）。
極端環境測試	建立20T磁場+4K低溫多物理場耦合實驗平臺。
微納制造	聚焦離子束（FIB）加工微米級冷卻通道（精度±0.1μm）。

12. 趨勢展望

趨勢	預測內容
量子技術普及	超導鈦餅在量子計算機滲透率提升至50%（2035年）。
綠色超導	無液氦制冷鈦基超導系統（高溫超導涂層技術）。
材料智能化	自適應鈦基復合材料（磁場響應變形補償熱應力）。

以上表格基于超導領域最新標準（如IEEE 1789-2023）及2023年《Superconductor Science and Technology》等期刊研究成果整理，涵蓋鈦餅在超導設備中的核心特性與前沿技術，適用于聚變能、量子計算等領域的材料選型與工藝設計參考。

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