CN1010525B - 制备铌三锡高场超导复合线的方法 - Google Patents

制备铌三锡高场超导复合线的方法

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Abstract

本发明是用改进的铌管富锡法制备铌三锡高场超导复合线的方法,属于高场超导磁体的加工工艺。
本发明通过用纯Nd锭中心打孔制作单芯的Cu/Nb复合挤压管代替Nb管,把Mg或Ti等第三元素加入到Cu/Nb挤压管的内Cu层或同时加入到富锡的Sn-Cu合金中,用多芯Cu/Nb复合管或CuNb合金管代替内铜套层等措施克服了铌管富锡法的缺点。降低了铌三锡高场超导复合线的生产成本,提高了超导临界特性及机械性能。

Description

本发明是用改进的铌管富锡法制备铌三锡高场超导复合线的方法,属于高场超导磁体的加工工艺。
超导线材是制造高场超导磁体的基础材料。大多数高场超导材料都是难以机械加工的化合物。铌三锡(Nb3Sn)和钒三镓(V3Ga)虽已获得不同程度的实用,但都存在一些问题。例如,目前认为成熟的表面扩散法制造的Nb3Sn带材,某些电磁特性和机械性能尚不能满足大型高场磁体的要求。近年来,在铌钛复合线工艺完善的基础上,多芯Nb3Sn复合线工艺取得了进展。过去通常采用青铜法制备多芯Nb3Sn复合线,由于采用锡青铜作基体,加工硬化率高,加工过程中要经过频繁的中间热处理,而且青铜中Sn含量受到限制,重量百分比小于14%,从而影响Nb3Sn的生长速率和超导性能。另一种表面镀Sn的外扩散法,Sn含量难以控制均匀。用这二种方法制得的复合线最终基体都是青铜,不利于磁热稳定。
1976年Koike等(Appl Phys Lett,29,384,1974)提出用铌管富锡法制备多芯Nb3Sn超导复合线。它采用铌管中放置易冷加工的富Sn的Sn-Cu合金,Nb管外再包复OFHC Cu(高导电无氧铜)管,经过适当组合和热处理,制得在Nb管内壁形成连续Nb3Sn层的多芯复合线。附图1说明了该方法的工艺流程。与青铜法相比,Nb管富Sn法的主要优点有:
1.工艺简单,无需任何中间热处理即可冷拉到最终尺寸。
2.Nb管可起到Sn扩散阻挡层的作用,Nb管外的OFHC    Cu不致 被Sn沾污,使复合线具有良好的磁热稳定性,这对超导磁体的稳定工作是至关重要的。
3.有优异的超导临界特性。
4.可较方便地在富Sn合金中添加第三元素,例如Mg或Ti,进一步提高了材料的超导临界特性。
但Nb管富Sn法也有其缺点,主要是
1.使用Nb管,成本高。
2.由于富Sn合金放置在Nb管中,与Nb管的体积之比较小,因此在富Sn合金中添加第三元素的数量受到限制。
3.Nb管外的OFHC    Cu与Nb管芯的体积之比较大,约比青铜法的Cu与Nb芯加青铜的体积之比大三倍。由于OFHC    Cu的机械强度较差,因而与同样线规的青铜法复合线比,Nb管富Sn法制得的复合线的抗应力-应变能力较差。
本发明的目的是为了克服上述Nb管富Sn法的缺点,降低Nb3Sn多芯复合线的生产成本,提高复合线的超导临界特性及其机械性能。
本发明对Nb管富Sn法作了以下三方面的改进:
1.使用二次或三次电子束轰击熔炼的纯Nb锭中心打孔制作单芯Cu/Nb复合挤压管代替Nb管以降低生产成本。
2.第三元素,如Mg或Ti,不仅可加入到富Sn合金中,而且可加入到Cu/Nb复合挤压管的内铜层中,使Mg或Ti的含量增高以提高材料的超导临界特性。
3.用多芯Cu/Nb复合管或Cu-(5-30)Vol%Nb(Vol%为体积百分比)合金管来代替Nb管富Sn法的Nb管内铜套层以改进材料的机械性能。
使用本发明所作的改进制造Nb3Sn高场超导线材达到了降低生产成 本,改进超导临界特性和机械性能的目的。由于采用价格低的二次或三次电子束轰击熔炼的高纯Nb锭(如三次轰击的纯Nb锭包括打孔损耗后,价格为600元/公斤)而不用价格高的Nb管(1850-2500元/公斤)使生产成本降低约30-50%。由于把Mg或Ti添加到挤压筒内铜套层或同时添加到内铜套层和富Sn合金中,使Mg或Ti的名义平均含量提高,从而既改善了线材性能的均匀性,也提高了超导临界特性。例如把Ti加入内Cu套层使Nb管芯内成份均匀化后,Ti的名义平均含量为0.76重量百分比,线材的超导临界磁场Hc2(o)达到29T。而Ti加到富Sn合金中的名义平均含量仅为0.4重量百分比,Hc2(o)只有26T。最后,用Cu/Nb复合管或Cu-(5-30)Vol%Nb合金管后,使Nb3Sn的机械性能也得到了显著改进。例如用Cu-20Vol%Nb合金管代替Nb管内套Cu层可使单芯复合线的屈服强度σ0.2提高30-40%。
附图1是一般Nb管富Sn法制备Nb3Sn线材的工艺流程图。图中1是在空气中或中频感应炉中熔炼含第三元素(如Mg、Ti等)的富锡的Sn-Cu合金,含Cu量为5-8wt%(wt%是重量百分比)。2为将富Sn合金车皮、冷锻、开坯和冷拉成棒。3为酸洗工艺。4为一定尺寸的紫铜管,一般选择Cu管尺寸应保证Cu管与富Sn合金成份均匀化后,Sn的名义平均成份小于38wt%。5是酸洗工艺。6、7、8分别是Cu管与富Sn合金棒复合、冷拉、酸洗工艺,以形成包铜的富Sn合金棒。9与10为Nb管及其酸洗工艺。11与12为OFHC铜管及其酸洗工艺。30是内层为包铜富Sn合金棒、中间Nb管和外层OFHC Cu管的单芯复合棒,31是将单芯复合棒冷拉成一定尺寸的六角棒並进行长度定尺,32是复合棒酸洗。40与41为OFHC Cu管及其酸洗工艺。50是OFHC铜管与多根六角单芯复合棒进行多芯复合,51与52是多芯线的冷拉和拧扭工艺。61为绕制磁体。62、63为Nb3Sn生成扩 散热处理。
下面结合附图说明本发明的多个实施例:
实施例1:使用二-三次电子束轰击高纯Nb锭中心打孔制作单芯Cu/Nb挤压管代替图1中的内外套Cu的Nb管。其工艺流程如图2。图中1、2、3与图1中的1、2、3相同。4、5与11、12分别为紫铜内套筒、OFHC    Cu外套筒及相应的酸洗工艺。9是用二或三次电子束轰击熔炼的Nb锭,中心打适当大小与内Cu套相配的孔,制成中心Nb套筒。10是打孔Nb锭的酸洗工艺。这里,打孔的Nb锭代替了Nb管。6为将内、中、外的紫铜、打孔Nb锭与OFHC    Cu相配复合,在真空中进行电子束焊封,制成Cu/Nb复合管状挤压锭。7是Cu/Nb管状挤压锭在500-800℃下热挤压。8与15分别是Cu/Nb挤压管的冷拉成冷轧成所需尺寸及酸洗工艺。30是将富Sn的Sn-Cu合金棒与Cu/Nb挤压管复合成单芯复合棒。31、32及其余流程与图1相同。
实施例2用Cu-(0.5-1.5)wt%Ti或Cu-(0.5-3)wt%Mg合金套筒代替图2中的紫铜内套筒4。因此,实施例1中除工艺程序4、5为附图3的工艺所取代及富Sn的Sn-Cu合金不仅可以加入第三元素也可不加第三元素外,实施例2的工艺流程与实施例1相同。图3是制备Cu-(0.5-1.5)wt%Ti或Cu-(0.5-3)wt%Mg合金套筒的工艺流程。图中20是用非自耗真空电弧炉熔炼Cu-(30-50)wt    Ti中间合金或Cu-(40-60)wt%Mg中间合金。21为用中间合金加铜熔炼成Cu-(0.5-1.5)wt%Ti或Cu-(0.5-3)wt%Mg合金锭。22是将合金锭中心打孔並在500-800℃下热挤压成管材並冷轧成所需尺寸。23、24为将上述管材加工成内套筒及酸洗。以图3的工艺代替图2中的工艺4、5,当然,图2中的Cu/Nb复合管在本实施例中均为Cu/Nb/Cu    Ti或CuMg复合管所取代。
实施例3是用多芯Cu(或CuTi、CuMg合金)/Nb复合管或Cu(或CuTi、CuMg合金)-(5-30)Vol%Nb合金管取代例1中的紫铜内套筒4。即在图2的工艺流程4、5为图4或图5的多芯Cu(或CuTi、CuMg)/Nb复合管或Cu(或CuTi、CuMg)-(5-30)Vol%Nb合金管的制造工艺所取代。
图4是Cu(或CuTi、CuMg)/Nb复合管的制造工艺流程。图中71、72为电子束熔炼Nb锭及其酸洗工艺,73、74为Cu(或是用图3方法熔炼的CuTi、CuMg合金)外套筒及其酸洗工艺。75为Cu(或合金)外套与Nb锭复合並经电子束真空焊封成挤压锭。76是700-800℃热挤压,77是冷拉成一定尺寸的六角棒並进行长度定尺,78是酸洗工艺。79、80、81、82分别为内、外Cu套及其酸洗工艺。83为内外套Cu套的多根六角Cu(或CuTi,CuMg)Nb复合棒进行真空封焊,84是700-800℃热挤压,85将挤压管冷拉到所需尺寸,形成多芯Cu/Nb复合挤压管並酸洗。
图5是Cu(或CuTi、CuMg)-(5-30)Vol%Nb合金管的制造工艺流程。90是用高纯Cu和Nb条按Cu-(5-30)Vol%Nb的配比(其中Cu也可用图3方法熔炼的CuTi、CuMg合金)构成真空电弧炉自耗电极,91是第一次自耗熔炼成Cu(或CuTi、CuMg)-Nb合金锭。92进行开坯、锻打成条状重新组合成自耗电极,93为第二次自耗熔炼。94、95是第三次组合及自耗熔炼成Cu(或CuTi、CuMg)-(5-30)Vol%Nb合金锭。96在合金锭中心打孔,97为酸洗工艺。98、99、100、101分别为内外Cu套筒及其酸洗工艺。102是将套成的Cu/Cu(或CuTi    CuMg)-Nb/Cu挤压锭进行电子束真空焊封,103是700-800℃热挤压,104是冷拉或冷轧成Cu(或CuTi、CuMg)-(5-30)Vol%Nb合金复合管並酸洗。
实施例4只是将实施例1-3中的工艺流程50作了变动。在本例中,工艺50采用将OFHC    Cu外套与多根六角单芯复合棒经真空电子束焊封和等静冷挤压后成为多芯复合棒,而后再经冷拉与拧扭工艺51、52及作扩散热处理。
实施例5是在实施例1-4的工艺流程中,取消工艺6、7、8及15,而将酸洗后的OFHC    Cu外套、中间的打孔Nb锭和内套筒〔紫铜管或CuTi、CuMg合金或多芯Cu(或CuTi、CuMg)/Nb复合管或Cu(或CuTi    CuMg)-(5-30)Vol%Nb合金管〕並在中间填入富锡的Sn-Cu合金棒一起装配成单芯复合锭,经真空电子束封焊后,直接进行冷拉工艺31及酸洗工艺32。其余工艺与实施例1-4相同。

Claims (7)

1、本发明是用改进的铌管富锡法制备铌三锡高场超导复合线的方法,属于高场超导磁体的加工工艺,它是将有内、外套铜的铌芯并在内铜层中间充填富锡的锡一铜合金经机械加工制成六角形单芯复合棒,然后进行多芯复合加工制成超导复合线,本发明的特征在于内、外套筒之间的铌芯是用二次或三次电子束轰击熔炼的纯Nb锭中间打孔而成。
2、按权利要求1所述的制备铌三锡高场超导复合线的方法,其特征在于所说的内套筒可以是紫铜套管、铜-钛(钛的重量百分比为0.5-1.5%)合金套管、铜-镁(镁的重量百分比为0.5-3%)合金套管、多芯的铜/铌复合管、铜-铌合金(铌的体积百分数为5-30%)管。
3、按权利要求1所述的制备铌三锡高场超导复合线的方法,其特征在于,富锡的锡-铜合金中可以加入其它元素,如钛或镁。
4、按权利要求2所述的制备铌三锡高场超导复合线的方法,其特征在于内套筒的各种材料中也可以加入其它元素,如钛或镁。
5、按权利要求1、2所述的制备铌三锡高场超导复合线的方法,其特征在于可以把有内、外套筒的铌芯管先行热挤压,冷拉或冷轧成所需尺寸后,再与富锡的锡-铜合金复合冷拉成六角形单芯复合棒。
6、按权利要求1、2所述的制备铌三锡高场超导复合线的方法,其特征在于可以把有内外套筒的铌芯管先与富锡的锡-铜合金棒装配复合后进行等静冷挤压,再冷拉成六角形的单芯复合棒。
7、按权利要求1、2、5、6所述的制备铌三锡高场超导复合线的方法,其特征在于,在进行多芯复合加工制造超导复合线时,可装配复合后直接冷拉,或装配复合后进行等静冷挤压再冷拉成复合线。
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