CN102751049A - 一种Nb3Al超导线材前躯体导线的制作方法 - Google Patents

一种Nb3Al超导线材前躯体导线的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种实用化的低温合金超导线材的制作方法，尤其涉及一种Nb3Al超导线材前驱体导线的制作方法，包括制作复合棒，组装并密封，热挤出加工，拉拔加工等步骤，本发明解决了现有技术中卷绕法存在的Nb箔与Al箔加工变形不匹配的问题，方法简单，非常有利于大规模工业化生产。

Description

一种Nb3Al超导线材前躯体导线的制作方法
技术领域
本发明涉及一种实用化的低温合金超导线材的制作方法，尤其涉及一种Nb3Al超导线材前驱体导线的制作方法。
背景技术
全超导可控磁约束热核聚变能（托卡马克）发电技术是人类未来可持续发展的战略性新能源技术之一。正是由于可控核聚变能的资源充裕和环境友好等优点，其被公认为最可能解决未来全球能源危机、推动人类社会可持续发展行之有效的理想能源。目前，由多国参加的国际热核聚变实验堆计划（ITER）的启动对于推动可控聚变能基础科学发展和工程技术进步具有重要意义，2006年11月我国正式加入ITER计划。2010年，我国制订的战略规划已明确将“超导磁约束核聚变技术”列为国家中长期重点支持的发展方向。
大型超导磁体是全超导可控磁约束聚变堆的关键，其主要功能是将超高温（6,000~10,000万℃）等离子体约束在磁容器中，实现可控的核聚变反应。在ITER设计中，高场磁体（TF和CS）需要产生非常高的磁场（11.8T），同时承受巨大的洛仑兹力，目前该磁体采用Nb3Sn超导材料绕制。然而，未来示范堆和商用堆运行参数（磁场>15T、电流>100kA，承载>150吨/米、功率>2GW）远高于目前ITER设计参数，大的洛仑兹力产生的应力/应变导致Nb3Sn超导材料性能衰减问题变得尤为严重，难于满足高场超导线圈应力/应变容限要求。因此，寻求具有更为优良综合性能的高场磁体用超导材料是未来可控磁约束聚变示范堆和商业化过程中必须解决的基本问题。与Nb3Sn相比，Nb3Al超导材料具有更高的临界磁场和更优良的应变容许特性，是未来磁约束聚变堆，尤其是示范堆阶段高场磁体的理想选择。
Nb3Al超导线材制备是将截面积比为1:3的Al和Nb通过机械复合后，加工成长线，然后经过热处理，使得熔融的Al向固相Nb扩散，反应生成Nb3Al超导线材。在前驱体导线制备中，Al与Nb的复合方式可以采用套管法或者卷绕法。前者是将Al棒插入到Nb管中，然后通过拉拔制成单芯棒，而后者是将Al箔和Nb箔以Nb棒为中心进行卷绕，然后通过拉拔制作成单芯棒。由于Nb3Al超导体主要通过熔融的Al向固相Nb扩散生成，反应过程如下：
Nb（s）+Al（l）→NbAl3+Nb→Nb2Al+Nb→Nb3Al。
所以，与套管法相比，卷绕法中Nb与Al的扩散距离更短，更容易完全反应生成Nb3Al超导体。
但是，由于Al与Nb的硬度相差非常大，在长线加工过程中会出现加工变形不匹配的问题。卷绕法中，是将厚度比为1:3的Al箔和Nb箔进行卷绕，由于Al的硬度较小，变形较快，当加工到一定长度后，在导线的截面中Al与Nb的面积比就会小于是1:3，因此，在Al与Nb反应过程中，无法完全生成Nb3Al，而是存在剩余的Nb。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Nb3Al超导线材前驱体导线的制作方法，解决了现有技术由于Al箔和Nb箔变形不匹配，导致Nb3Al卷绕法加工过程中Al与Nb的面积比小于1:3，从而无法完全生成Nb3Al的问题。
本发明具体的技术方案是：一种Nb3Al超导线材前躯体导线的制作方法，包括如下步骤：
制作复合棒：以Nb棒为中心，将厚度比为3:1的Nb箔和Al合金箔进行卷绕，卷绕后的直径不大于Nb管的内径，并装入Nb管内，然后以每分钟1~10米的速率进行拉拔加工，制备得Nb／Al合金复合棒；
组装并密封：将至少两根所述Nb／Al合金复合棒装入Cu包套管内，并采用焊接的方式将Cu包套管密封，形成复合锭体；
热挤出加工：将所述复合锭体在4000kN~6000kN的压力下进行等静压加工，然后预加热到100℃~500℃，并在4000kN~40,000kN的推力作用下，以每分钟0.5m~5.0m速率进行热挤出加工，获得Cu包套的复合棒材。
拉拔加工：将所述复合棒材以每道次10%~20%变形率和每分钟1~10米的速率进行多道次的拉拔加工，获得直径为0.50~1.50mm的Nb3Al超导线材前躯体导线。
本发明的有益效果是：采用硬度接近金属Nb的Al合金箔代替Al箔，通过卷绕的方法制作Nb3Al前驱体导线的单芯棒，因Al合金箔与Nb箔硬度相近，在制作Nb3Al过程中，形变一致，使得Al合金箔与Nb箔的面积比保持为1:3，从而保证了Al元素与Nb元素完全生成Nb3Al，并且无需增加新设备，节约了成本。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明：
实施例一
制作复合棒：以直径5.0mm，长度350.0mm的Nb棒为中心，将厚度0.15mm的Nb箔和厚度0.05mm的Al-3%Mg合金箔（Al元素与Mg元素的物质的量之比为100:3）卷绕至直径19.0mm，并装入到内径为20.0mm，壁厚为1.0mm的Nb管中，然后以每分钟1米的速率进行拉拔加工，再切断成对边距为5.0mm，长度350.0mm的截面为正六边形的Nb／Al-Mg复合棒；
组装并密封：将127根所述Nb／Al-Mg复合棒装入内径100.0mm，厚度11.0mm的Cu包套管中，并在真空环境中，采用电子束焊接方法将Cu包套管密封，形成复合锭体；
热挤出加工：将所述复合锭体在5000kN的压力下进行等静压加工，然后将锭体预加热到400℃，并在15，000kN压力作用下以每分钟1.0m的速率挤出，获得复合棒材；
拉拔加工：将所述复合棒材以每道次15%的变形率和每分钟5米的速率进行多道次的拉拔加工，直到获得直径0.50mm的Nb3Al超导线材前驱体导线。
取本例中线材的一段在950℃/20h热处理后进行测试，其超导转变温度达到17.1K，电流电压转变指数n值为40；在4.2K、15T下，临界电流密度Jc达到220A/mm2。
实施例二
制作复合棒：以直径5.0mm，长度350.0mm的Nb棒为中心，将厚度0.15mm的Nb箔和厚度0.05mm的Al-0.1%Cu合金箔（Al元素与Cu元素物质的量之比为1000:1）卷绕至直径19.0mm，并装入到内径为20.0mm，壁厚为1.0mm的Nb管中，然后以每分钟5米的速率进行拉拔加工，再切断成对边距为10.0mm，长度350.0mm的截面为正六边形的Nb／Al-Cu复合棒；
组装并密封：将68根所述Nb／Al-Cu复合棒装入内径100.0mm，厚度11.0mm的Cu包套管中；并在真空环境中，采用电子束焊接方法将Cu包套管密封，形成复合锭体；
热挤出加工：将所述复合锭体在4000kN的压力下进行等静压加工，然后将锭体预加热到100℃，并在40，000kN压力作用下以每分钟5.0m的速率挤出，获得复合棒材；
拉拔加工：将所述复合棒材以每道次10%的变形率和每分钟1米的速率进行多道次的拉拔加工，直到将棒材加工成直径1.50mm的线材，即获得Nb3Al超导线材前驱体导线。
取本例中线材的一段在950℃/20h热处理后进行测试，其超导转变温度达到17.4K，电流电压转变指数n值为38；在4.2K、15T下，临界电流密度Jc达到430A/mm2。
实施例三
制作复合棒：以直径5.0mm，长度350.0mm的Nb棒为中心，将厚度0.15mm的Nb箔和厚度0.05mm的Al-7%Ag合金箔（Al元素与Ag元素的物质的量之比为100:7）卷绕至直径19.0mm，并装入到内径为20.0mm，壁厚为1.0mm的Nb管中，然后以每分钟10米的速率进行拉拔加工，再切断成对边距为5.0mm，长度350.0mm的截面为正六边形的Nb／Al-Ag复合棒；
组装并密封：将600根所述Nb／Al-Ag复合棒装入内径100.0mm，厚度11.0mm的Cu包套管中；并在真空环境中，采用电子束焊接方法将Cu包套管密封，形成复合锭体；
热挤出加工：将所述复合锭体在6000kN的压力下进行等静压加工，然后将锭体预加热到500℃，并在4000kN压力作用下以每分钟0.5m的速率挤出，获得复合棒材；
拉拔加工：将所述复合棒材以每道次20%的变形率和每分钟10米的速率进行多道次的拉拔加工，直到将棒材加工成直径1.0mm的线材，即获得Nb3Al超导线材前驱体导线。
取本例中线材的一段在950℃/20h热处理后进行测试，其超导转变温度达到18.2K，电流电压转变指数n值为38；在4.2K、15T下，临界电流密度Jc达到560A/mm2。
实施例四
制作复合棒：以直径5.0mm，长度350.0mm的Nb棒为中心，将厚度0.15mm的Nb箔和厚度0.05mm的Al-10%Ge合金箔（Al元素与Ge元素的物质的量之比为10:1）卷绕至直径19.0mm，并装入到内径为20.0mm，壁厚为1.0mm的Nb管中，然后以每分钟5米的速率进行拉拔加工，再切断成对边距为1.0mm，长度350.0mm，截面为正六边形的Nb／Al-Ge复合棒；
组装并密封：将127根所述Nb／Al-Ge复合棒装入内径100.0mm，厚度11.0mm的Cu包套管中，在真空环境中，采用电子束焊接方法将Cu包套管密封，形成复合锭体；
热挤出加工：将所述复合锭体在5000kN的压力下进行等静压加工，然后将锭体预加热到300℃，并在15，000kN压力作用下以每分钟3.0m的速率挤出，获得复合棒材；
拉拔加工：将所述复合棒材以每道次10%的变形率和每分钟1米的速率进行多道次的拉拔加工，直到将棒材加工成直径1.20mm的线材，即获得Nb3Al超导线材前驱体导线。
取本例中线材的一段在950℃/20h热处理后进行测试，其超导转变温度达到16.5K，电流电压转变指数n值为32；在4.2K、15T下，临界电流密度Jc达到340A/mm2。

Claims (3)

1.一种Nb3Al超导线材前躯体导线的制作方法，其特征在于包括如下步骤：
制作复合棒：以Nb棒为中心，将厚度比为3:1的Nb箔和Al合金箔进行卷绕，卷绕后的直径不大于Nb管的内径，并装入Nb管内，然后以每分钟1~10米的速率进行拉拔加工，制备得Nb／Al合金复合棒；
组装并密封：将至少两根所述Nb／Al合金复合棒装入Cu包套管内，并采用焊接的方式将Cu包套管密封，形成复合锭体；
热挤出加工：将所述复合锭体在4000kN~6000kN的压力下进行等静压加工，然后预加热到100℃~500℃，并在4000kN~40,000kN的推力作用下，以每分钟0.5m~5.0m速率进行热挤出加工，获得Cu包套的复合棒材。
拉拔加工：将所述复合棒材以每道次10%~20%变形率和每分钟1~10米的速率进行多道次的拉拔加工，获得直径为0.50~1.50mm的Nb3Al超导线材前躯体导线。
2.如权利要求1所述的一种Nb3Al超导线材前躯体导线的制作方法，其特征在于：所述Nb／Al合金复合棒横截面为正六边形，对边距为1~10mm。
3.如权利要求1所述的一种Nb3Al超导线材前躯体导线的制作方法，其特征在于：所述的Al合金箔为Al-Mg合金箔、Al-Cu合金箔、Al-Ag合金箔、Al-Ge合金箔中的一种，其中Al-Mg合金箔中Al与Mg的物质的量比为1000:1~10:1；Al-Cu合金箔中Al与Cu的物质的量比为1000:1~10:1；Al-Ag合金箔中Al与Ag的物质的量比为1000:1~10:1；Al-Ge合金箔中Al与Ge的物质的量比为1000:1~10:1。
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