CN101719400A - 一种制备青铜法Nb3Sn超导线材的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备青铜法Nb3Sn超导线材的方法，在高锡青铜管中填入青铜六方管，将Nb或Nb合金棒分别插入青铜六方管中，用异型青铜插棒填充入高锡青铜管内青铜六方管之间的空隙，得到一次坯料；然后两端用铜盖焊接盖封，进行挤压，然后进行反复拉伸、退火，然后和阻隔层材料一起装入铜管内，并用多种形状的异型青铜插棒填充铜管中的空隙，两端用铜盖焊接盖封，再进行挤压，然后进行反复拉伸、退火，即制得。采用本发明的青铜法制备Nb3Sn超导线材的方法，在圆形青铜和铜套内用异型青铜插棒填满缝隙，然后进行挤压、拉伸、退火工艺，制得的Nb3Sn超导线材内部芯丝和阻隔层的分布均匀，省去了热等静压的过程，减少了生产流程。

Description

一种制备青铜法Nb3Sn超导线材的方法
技术领域
本发明属于超导材料加工技术领域，涉及一种制备青铜法Nb3Sn超导线材的方法。
背景技术
Nb3Sn超导材料由于在10T以上高场条件下具有高的临界电流密度，成为目前高场磁体制造关键的材料，在实用化超导材料中具有重要的地位。青铜法由于其加工性能优良而作为较为成熟的Nb3Sn超导线材的生产方法被广泛采用。Nb3Sn超导线材的重要性能指标就是单根线材长度、非铜区临界电流密度和磁滞损耗，而线材设计和加工工艺是其中的关键技术。在传统的青铜法制备Nb3Sn超导线材中，采用六方亚组元集束后放入圆形铜套中，并采用圆形青铜插棒填充六方亚组元与圆形铜套的空隙。由于空隙属于不规则形状，因此圆形插棒并不能将圆形铜套内部的空隙填满，需要采用热等静压技术(即将坯料内部压实，使得挤压时内部芯丝和阻隔层变形均匀)将封焊后的圆形铜套压实后挤压，最后拉伸至成品。并且，圆形青铜插棒的填充并不均匀，会造成最终线材内部的芯丝和阻隔层分布不均匀，导致线材性能不高。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备青铜法Nb3Sn超导线材的方法，制备出来的线材内部芯丝和阻隔层的分布均匀，并省去了热等静压的过程，减少了加工流程。
本发明所采用的技术方案是，一种制备青铜法Nb3Sn超导线材的方法，按以下步骤进行：
步骤1，
取直径为Φ100-Φ150mm高锡青铜管、青铜六方管、Nb或Nb合金棒、以及多种形状的异型青铜插棒，清洗干净；在高锡青铜管中填入青铜六方管，将Nb或Nb合金棒分别插入青铜六方管中，用异型青铜插棒填充入高锡青铜管内青铜六方管之间的空隙，得到一次坯料；
步骤2，
将步骤1组装好的一次坯料的两端用铜盖焊接盖封，焊接电流为35-50mA，焊接真空度＜10-3Pa；
步骤3，
将步骤2封焊后的坯料在520-650℃下保温60-120min后进行挤压，获得多芯青铜/Nb复合棒，或多芯青铜/Nb合金复合棒，挤压比为7-15；
步骤4，
将步骤3挤压后的多芯青铜/Nb复合棒，或多芯青铜/Nb合金复合棒去掉头尾、清洗，然后进行反复拉伸、退火，退火温度为420-520℃，道次加工率在20-30％，得到六方青铜/Nb复合棒，或六方青铜/Nb合金复合棒；
步骤5，
取数根步骤4制得的六方青铜/Nb复合棒，或六方青铜/Nb合金复合棒，采用密排六方的方式集束，然后和阻隔层材料一起装入Φ120-Φ275mm铜管内，并用多种形状的异型青铜插棒填充铜管中的空隙，采用真空电子束将铜管两端用铜盖焊接盖封，焊接电流为70-90mA，焊接真空度＜10-3Pa，得到盖封后的二次坯料；
 步骤6，
再将在步骤5得到的盖封后的二次坯料进行在520-650℃下保温60-120min后进行挤压，挤压比为7-15，然后进行反复拉伸、退火，退火温度为420-520℃，道次加工率在20-30％，即制得成品Nb3Sn超导线材。
本发明的特征还在于，
阻隔层材料为Ta板或Nb板。
采用本发明的制备青铜法Nb3Sn超导线材的方法，在圆形青铜和铜套内用异型青铜插棒填满缝隙，然后进行挤压、拉伸、退火工艺，制得的Nb3Sn超导线材内部芯丝和阻隔层的分布均匀，省去了热等静压的过程，减少了生产流程、减低成本。
附图说明
图1是采用现有方法制备Nb3Sn超导线材的电镜扫描照片。
图2是采用本发明实施例1的方法制得的Nb3Sn超导线材的电镜扫描照片。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明制备青铜法Nb3Sn超导线材的方法，按以下步骤进行：
步骤1，
取直径为Φ100-Φ150mm高锡青铜管、青铜六方管、Nb或Nb合金棒、以及多种形状的异型青铜插棒，清洗干净；在高锡青铜管中填入19-40根青铜六方管，将Nb或Nb合金棒分别插入青铜六方管中，用异型青铜插棒填充入高锡青铜管内青铜六方管之间的空隙，得到一次坯料；
步骤2，
将组装好的一次坯料的两端用铜盖焊接盖封，焊接盖封过程在真空下进行，焊接电流为35-50mA，焊接真空度＜10-3Pa；
步骤3，
将步骤2封焊后的坯料在520-650℃下保温60-120min后，挤压获得多芯青铜/Nb复合棒，或多芯青铜/Nb合金复合棒，挤压比为7-15；
步骤4，
将挤压后的多芯青铜/Nb复合棒，或多芯青铜/Nb合金复合棒去掉头尾、清洗，然后进行反复拉伸、退火，退火温度为420-520℃，道次加工率在20-30％，最终得到六方青铜/Nb复合棒，或六方青铜/Nb合金复合棒；
步骤5，
取250-700根步骤4制得的六方青铜/Nb复合棒，或六方青铜/Nb合金复合棒，采用密排六方的方式集束，然后和阻隔层材料(Ta板或Nb板)一起装入Φ120-Φ275mm铜管内，并用多种形状的异型青铜插棒填充铜管中的空隙，采用真空电子束将铜管两端用铜盖焊接盖封，焊接电流为70-90mA，焊接真空度＜10-3Pa，得到盖封后的二次坯料；
步骤6，
再将在步骤5得到的盖封后的二次坯料进行在520-650℃下保温60-120min后进行挤压，挤压比为7-15，然后进行反复拉伸、退火，退火温度为420-520℃，道次加工率在20-30％，即制得成品青铜法Nb3Sn超导线材。
本发明中不限制异型青铜插棒各组元的规格，因为规格可以在很大范围内变化，而主要强调采用异型插棒的这种组装加工方法。本发明中采用异型插棒可以提高坯料内的占空系数，即减少坯料的空隙。采用异型插棒的坯料内部空隙很小，直接挤压内部各部分变形也是均匀的。
实施例1
取直径为Φ100mm高锡青铜管、青铜六方管、Nb7.5wt.％Ta棒、以及多种形状的异型青铜插棒，清洗干净，高锡青铜管中填37根青铜六方管，将Nb7.5wt.％Ta棒插入六方管中，用多种形状的异型青铜插棒填充铜管中的空隙；两端用铜盖焊接盖封，焊接电流为50mA，焊接真空度＜10-3Pa；将封焊后的坯料在650℃下保温120min，挤压获得直径为Φ45mm多芯青铜/Nb7.5wt.％Ta复合棒，挤压比为7；然后去掉头尾、清洗，反复拉伸、退火，退火温度为420℃，道次加工率在20％，得到对边为4.4mm六方青铜/Nb7.5wt.％Ta合金复合棒；将313根六方青铜/Nb7.5wt.％Ta复合棒集束和Ta阻隔层装入Φ120mm铜管内，用多种形状的异型青铜插棒填充坯料中的空隙，采用真空电子束将铜管两端用铜盖焊接盖封，焊接电流为85mA，焊接真空度＜10-3Pa，得到二次坯料；650℃下保温120min后进行挤压，挤压比为7，然后进行反复拉伸、退火，退火温度为420℃，道次加工率在20％，制备得到规格为Φ0.82mm的成品Nb3Sn超导线材。
制得的青铜法Nb3Sn超导线材单根长度超过4000m，临界电流为201A/mm2，全体积磁滞损耗为110mJ/cm3，n值为38。
实施例2
取直径为Φ120mm高锡青铜管、青铜六方管、Nb棒、以及多种形状的异型青铜插棒，清洗干净，在高锡青铜管中填19根青铜六方管，将Nb棒插入六方管中，用多种形状的异型青铜插棒填充铜管中的空隙；两端用铜盖焊接盖封，焊接电流为40mA，焊接真空度＜10-3Pa；将封焊后的坯料在520℃下保温60min，挤压获得直径为Φ45mm多芯青铜/Nb复合棒，挤压比为15；将挤压后的多芯青铜/Nb复合棒去掉头尾、清洗，反复拉伸、退火，退火温度为520℃，道次加工率在30％，得到对边为5.0mm的六方青铜/Nb复合棒；将700根六方青铜/Nb复合棒集束后和Nb阻隔层装入Φ220mm铜管内，用多种形状的异型青铜插棒填充坯料中的空隙，采用真空电子束将坯料两端用铜盖焊接盖封，焊接电流为90mA，焊接真空度＜10-3Pa，得到二次坯料；在520℃下保温60min后进行挤压，挤压比为15，然后进行反复拉伸、退火，退火温度为520℃，道次加工率在30％，制备得到Φ0.82mm的成品Nb3Sn超导线材。
制得的青铜法Nb3Sn超导线材单根长度超过6000m，临界电流为192A/mm2，全体积磁滞损耗为430mJ/cm3，n值为37。
实施例3
取直径为Φ150mm高锡青铜管、青铜六方管、Nb1.5wt.％Ta棒、以及多种形状的异型青铜插棒，清洗干净，高锡青铜管中填40根青铜六方管，将Nb1.5wt.％Ta棒插入六方管中，用多种形状的异型青铜插棒填充铜管中的空隙；两端用铜盖焊接盖封，焊接电流为45mA，焊接真空度＜10-3Pa；将封焊后的坯料在600℃下保温80min，挤压获得直径为Φ45mm多芯青铜/Nb1.5wt.％Ta复合棒，挤压比为10；然后去掉头尾、清洗，反复拉伸、退火，退火温度为480℃，道次加工率在25％，得到对边为4.6mm六方青铜/Nb1.5wt.％Ta合金复合棒；将250根六方青铜/Nb1.5wt.％Ta复合棒集束和Ta阻隔层装入Φ275mm铜管内，用多种形状的异型青铜插棒填充坯料中的空隙，采用真空电子束将坯料两端用铜盖焊接盖封，焊接电流为70mA，焊接真空度＜10-3Pa，得到二次坯料；600℃下保温80min后进行挤压，挤压比为10，然后进行反复拉伸、退火，退火温度为480℃，道次加工率在25％，制备得到规格为Φ0.82mm的成品Nb3Sn超导线材。
制得的青铜法Nb3Sn超导线材单根长度超过5000m，临界电流为210A/mm2，全体积磁滞损耗为213mJ/cm3，n值为38。
采用实施例1制备得到Nb3Sn超导线材后，采用扫描电镜检查线材的横截面，如图2所示，可以看到内部各组元的均匀性好。图1为现有方法制备Nb3Sn超导线材的电镜扫描照片，可以看到内部各组元的均匀性差。另外在性能检测中，n值表征芯丝均匀性的，n值越大表示芯丝的圆度和均匀性越好。采用圆形插棒和热等静压后得到的线材的n值为31，而采用异型插棒得到的线材的n值为37，所以大大提高了芯丝的圆度和均匀性，并且制得的超导线材临界电流＞190A/mm2，全体积磁滞损耗＜500mJ/cm3，长度都在4000m以上，满足超导线材的性能指标。

Claims (2)

1.一种制备青铜法Nb3Sn超导线材的方法，其特征在于，按以下步骤进行：
步骤1，
取直径为Φ100-Φ150mm高锡青铜管、青铜六方管、Nb或Nb合金棒、以及多种形状的异型青铜插棒，清洗干净；在高锡青铜管中填入青铜六方管，将Nb或Nb合金棒分别插入青铜六方管中，用异型青铜插棒填充入高锡青铜管内青铜六方管之间的空隙，得到一次坯料；
步骤2，
将步骤1组装好的一次坯料的两端用铜盖焊接盖封，焊接电流为35-50mA，焊接真空度＜10-3Pa；
步骤3，
将步骤2封焊后的坯料在520-650℃下保温60-120min后进行挤压，获得多芯青铜/Nb复合棒，或多芯青铜/Nb合金复合棒，挤压比为7-15；
步骤4，
将步骤3挤压后的多芯青铜/Nb复合棒，或多芯青铜/Nb合金复合棒去掉头尾、清洗，然后进行反复拉伸、退火，退火温度为420-520℃，道次加工率在20-30％，得到六方青铜/Nb复合棒，或六方青铜/Nb合金复合棒；
步骤5，
取数根步骤4制得的六方青铜/Nb复合棒，或六方青铜/Nb合金复合棒，采用密排六方的方式集束，然后和阻隔层材料一起装入Φ120-Φ275mm铜管内，并用多种形状的异型青铜插棒填充铜管中的空隙，采用真空电子束将铜管两端用铜盖焊接盖封，焊接电流为70-90mA，焊接真空度＜10-3Pa，得到盖封后的二次坯料；
步骤6，
再将在步骤5得到的盖封后的二次坯料进行在520-650℃下保温60-120min后进行挤压，挤压比为7-15，然后进行反复拉伸、退火，退火温度为420-520℃，道次加工率在20-30％，即制得成品Nb3Sn超导线材。
2.根据权利要求1所述的制备青铜法Nb3Sn超导线材的方法，其特征在于，所述阻隔层材料为Ta板或Nb板。
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