CN103567726A - 超导腔的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于粒子加速器技术领域，特别涉及射频超导加速腔的制造。一种超导腔的制备方法，其主要包括以下步骤：制备：1）原材料为超导材料粉末；2）使用CAD软件生成超导腔模型，采用分层软件对其进行分层；3）使用气氛控制系统为成型室提供氩气；4）将步骤1）的超导材料末摊铺到成形室成型台上；5）使用扫描控制系统，根据超导腔切片层的软件模型描述，将激光能量“打印”到粉末层上，产生超导材料切片层实体，该实体成为超导腔体的一部分；下一切片层又在第一个切片层实体上面继续被加工，一直到整个超导腔加工过程完成。最后进行机械抛光、化学清洗、高温退火、高压超纯水冲洗、超净间装配。本发明方法，缩短了超导腔研制周期；整个超导腔无焊缝，提高了超导腔研制的成品率；不受冲压成形条件的限制，可以提高超导腔的性能；制造过程中多余的超导材料粉末可以重复使用，降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明属于粒子加速器技术领域，特别涉及射频超导加速腔（简称超导腔）的制造方法。
背景技术
超导加速腔与常温加速腔相比，具有加速效率高、高频热损耗小的优点。超导加速腔已经成为直线对撞机、自由电子激光、散裂中子源、先进光源、加速器驱动核能嬗变装置（ADS）等大科学装置的核心器件。世界上已经发展了椭球腔、Spoke腔、半波长腔（HWR）、四分之一波长腔（QWR）等多种超导腔型，目前基本上所有类型超导腔的制作采用的原材料都是高纯铌板，经过冲压成型，然后电子束焊接而成。制作的工艺方法包括以下步骤：
1材料准备：根据超导腔部件形状尺寸，使用线切割、铣床机加等手段将厚度为2.8-4mm的高纯铌板材裁剪成冲压腔体部件需要的尺寸；
2冲压成型：将铌板放在硬铝（T7075）模具中冲压成部件形状；
3冲后裁边：使用线切割或铣床将冲压后部件边缘上的余量裁剪掉，精加工到图纸设计尺寸；
4焊前清洗：然后将部件化学清洗，去除掉焊口上的污染杂质；
5部件焊接：使用电子束焊，在高真空环境下，将冲压件焊接成整体部件；
6部件焊接件的机加和化学清洗：精加工部件焊接件到图纸设计尺寸，然后化学清洗焊口，去除焊口上的污染杂质；
7整腔焊接：最后将部件拼成一个整体进行焊接，由于整体焊接后，腔体内部焊缝无法打磨处理，一般需要焊接时使用背成型工艺，即正面焊接、焊缝背面成型光滑。
8.后处理阶段。
使用上述方法制造超导腔有如下问题：(1)过程复杂，周期长，制造一种新结构或新参数的超导腔，一般需要一年时间；⑵制造过程中很容易划伤和污染铌材表面，最终导致超导腔的高频性能下降或制造失败；(3)由于铌材的反弹特性，一次冲压，很难达到设计尺寸要求，需要对冲压件进行真空退火，然后进行二次冲压矫形，要保证超导腔的尺寸精度非常困难；(4)一个超导腔一般需要焊接几十道焊缝，每次焊接前都要进行化学处理，整腔焊接一般需要背成型，要求腔体内表面焊缝成形光滑，焊接风险很高。
目前超导腔制造研究工艺研究的热点是：如何缩短超导腔制造周期；如何提高超导腔制造成品率；如何降低超导腔制造成本。
发明内容
本发明的目的在于，为避免现有技术的不足，提供一种超导腔的制备方法。此方法缩短了超导腔的研制周期，提高了制造成品率；整个超导腔无焊缝，提高超导腔的高频性能。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种超导腔的制备方法，其主要特点在于包括以下步骤：
（1）制备：
1）原材料为超导材料粉末：粉末微粒粒度为小于50μm、纯度好于99%；
2）使用CAD软件生成超导腔模型，采用分层软件对其进行分层，每个切片层描述确定高度为小于0.5mm的超导腔体的横截面；
3）使用气氛控制系统为成型装置内提供氩气，氩气纯度好于99.9%，压力为0.1Mpa至1Mpa的氩气保护环境；
4）将步骤1）的超导材料粉末摊铺到成型装置的超导腔的成型台上；
5）使用扫描控制系统，根据超导腔切片层的软件模型描述，将激光能量“打印”到粉末层上，激光功率为大于50W，激光波长大于0.1μm，产生超导材料切片层实体，该实体成为超导腔体的一部分；下一切片层又在第一个切片层实体上面继续被加工，一直到整个超导腔加工过程完成。
所述的超导腔的制备方法，还包括以下步骤：
（2）机械抛光：将采用步骤（1）制备的超导腔进行机械滚抛，滚抛后进行化学抛光，刻蚀掉腔体表面大于100um，去掉机械滚抛过程中在腔体内表面生产的污染层，去除掉高频面上的松散超导材料粉末，提高超导腔内表面的光洁度；
（3）高温退火：将超导腔放在钛箱中，在高真空度好于10-3pa，退火温度为高于600℃，保温时间大于30分钟，提高超导材料的高频性能；
（4）化学轻抛光：刻蚀掉腔体表面大于10um，去除掉机械滚抛在超导腔体内表面生成的污染层；
（5）清洗：在超净间中，超纯水电阻率高于18MΩ.cm，高纯水压力为大于1Mpa；
（6）安装：在超净间中安装超导腔配件。
所述的超导腔的制备方法，所述的成型装置包括有在超导材料粉末供料缸中设有供料升降装置，在超导材料粉末供料缸的一侧设有成型台，在成型台上设有铺粉辊，在成型台的另一侧设有超导材料粉末收集缸；在成型台上方设有激光源，激光源发出的激光经光学系统和扫描系统照射在成型台上的超导材料粉末上，点激光源在超导材料粉末上移动；在成型台的下方设有成型升降装置；激光源由微机软件控制；超导材料粉末供料缸、成型台、超导材料粉末收集缸、铺粉辊放置在成型装置中，成型装置内充氩气。
所述的超导腔的制备方法，所述的超导材料粉末为高纯铌粉末或Nb3Sn粉末或MgB2粉末。
本发明的有益效果是：本发明采用激光熔化3D打印技术制造超导腔，使用该方法制造超导腔，只需要一道加工程序就将超导材料粉末熔化成型为超导腔，所以大大简化了超导腔加工工艺，制造一个超导腔只需要两个月时间，缩短了超导腔的制造周期（使用常规方法研制一个超导腔一般需要一年时间）；使用的原材料为超导材料粉末，超导腔的整个制造过程在高纯氩气保护的环境中完成，避免外界环境的污染，保证了超导材料的高频特性；超导腔是由激光逐层熔化而成，整个腔体上没有一道焊缝，腔体内表面更光滑，提高了腔体的成品率和高频特性；制造过程中多余的超导材料粉末可以重复使用，降低了生产成本。
从上述可知，采用激光熔化3D打印技术制造超导腔具有常规制造方法无法比拟的优势，是一个极具发展前途的新技术。
附图说明
图1：本发明成形装置的结构示意图；
图2：半波长超导腔的结构主视示意图；
图3：为图2半波长超导腔的A-A剖视示意图。
具体实施方式
下面结合附图来详细说明本发明。
实施例1：见图1，一种高纯铌超导腔的制备方法，其主要包括以下步骤：
（1）制备：
1）原材料为高纯铌粉末：高纯铌粉末由还原氧化铌得到，粉末微粒粒度为10nm-20μm、纯度99%-99.99%；
2）使用CAD软件生成超导腔模型，以半波长腔为例，见图2和图3，采用分层软件对其进行分层，每个切片层描述了确定高度0.05-0.3mm的超导腔体的横截面；
3）使用气氛控制系统为成型装置提供氩气纯度好于99.9996%，压力为0.1-0.2Mpa氩气保护环境；
4）将步骤1）的高纯铌粉末摊铺到成型室工作台上；
5）使用扫描控制系统，根据超导腔切片层的软件模型描述，将激光能量“打印”到粉末层上，激光功率为50-1000W，激光波长1μm-20μm，产生高纯铌切片层实体，该实体成为超导腔体的一部分；下一切片层又在第一个切片层实体上面继续被加工，一直到整个超导腔加工过程完成。
所述的高纯铌超导腔的制备方法，还包括以下步骤：
（2）机械抛光：将采用步骤（1）制备的超导腔进行机械滚抛，滚抛后进行化学抛光，刻蚀掉腔体表面100-200um，去掉机械滚抛过程中在腔体内表面生产的污染层去除掉高频面上的松散铌粉末，提高超导腔内表面的光洁度；
（3）高温退火：将超导腔放在钛箱中，在高真空度好于10-3pa，退火温度为600-1400℃，保温3-9小时，提高铌材的高频性能；
（4）化学轻抛光：刻蚀掉腔体表面20-50um，去除掉机械滚抛在超导腔体内表面生成的污染层；
（5）清洗：在100级超净间中，超纯水电阻率高于18MΩ.cm，高纯水压力
为8Mpa-10Mpa
（6）安装：在100级超净间中安装超导腔配件。
所述的成型装置，包括有在高纯铌粉末供料缸1中设有活塞1-1，在高纯铌粉末供料缸1的一侧设有成型台2，在成型台2上设有铺粉辊4，在成型台2的另一侧设有高纯铌粉末收集缸3；在工作台2上方设有激光源7，激光源7发出的激光经光学系统8和扫描系统9照射在工作台2上的高纯铌粉末上，点激光源在高纯铌粉末上移动；在成型台2的下方设有升降装置2-2；激光源7由微机软件控制；高纯铌粉末供料缸1、成型台2、高纯铌粉末收集缸3、铺粉辊4放置在成型装置中，成型装置中充氩气。
高纯铌粉末供料缸1中的活塞向上运动，为成型室提供高纯铌粉末，铺粉轴4将成型室中的高纯铌粉末铺平，并将多余的高纯铌粉末收集到高纯铌粉末收集缸3中，由微机软件控制，激光源7发出的激光经光学系统8和扫描系统9扫描到成型室中粉末床2上的高纯铌粉末上，熔化高纯铌粉末，成型超导腔模型中的第一层，当第一层成型后，粉末床2向下运动，重新铺高纯铌粉末，激光熔化成型第二次，依次类推，直到所有层被激光熔化成型，图1上的6为正在成型的工件，5为未被熔化的高纯铌粉末。
实施例2：本发明提出的Nb3Sn超导腔制造方法实施例详细说明如下：
1制备：
（1）采用的原材料为Nb3Sn粉末，粉末微粒粒度为10nm-20μm、纯度99%-99.99%；
（2）采用CAD、SolidWorks软件绘制超导腔模型，以半波长腔为例，见图2和图3，采用分层软件对其进行分层，每个切片层高度为0.05-0.3mm，每个切片层描述了确定高度的超导腔体的横截面；
（3）激光熔化制造超导腔过程见图1，在高纯氩气保护的环境中，高纯氩气纯度为99.9996%，Nb3Sn粉末供料缸1中的活塞向上运动，为成型室提供Nb3Sn粉末，铺粉辊4将成型室中的Nb3Sn粉末铺平，并将多余的Nb3Sn粉末末收集到Nb3Sn粉末收集缸3中，由微机软件控制，激光源7发出的激光经光学系统8和扫描系统9扫描到成型室中粉末床2上的Nb3Sn粉末上，熔化Nb3Sn粉末，成型超导腔模型中的第一层，当第一层成型后，粉末床2向下运动，重新铺高Nb3Sn粉末，激光熔化成型第二次，依次类推，直到所有层被激光熔化成型，图2上的6为正在成型的工件，5为未被熔化的Nb3Sn粉末。
2.将采用上述方法制作的超导腔安装到到滚抛机上，在腔体内装研磨料，开启滚抛机转动超导腔体，对超导腔体内表面进行机械抛光，去除高频面上的松散Nb3Sn粉末，提高超导腔内表面的光洁度；
3.超导腔滚抛后进行化学轻抛光，刻蚀掉腔体表面约200um；
4.高温退火：将超导腔放在钛箱中，在高真空度下（好于10-3pa），退火温度为600-1000℃，保温时间大于2小时，提高Nb3Sn的高频性能；
5.化学轻抛：化学清洗，刻蚀掉腔体表面50个微米，去除热处理过程中产生的污染层；
6.高压水冲洗：在100级超净间中，使用压力为8-10Mpa，电阻率高于18MΩ.cm高纯水，冲洗超导腔的内表面，去除腔体内部的微小颗粒；
7.超净间装配：在100级超净间中对超导腔及其配件进行装配。
实施例3：见图1，一种MgB2超导腔的制备方法，其主要包括以下步骤：
（1）制备：
1）原材料为MgB2粉末：粉末微粒粒度为10nm-20μm、纯度99%-99.99%：
2）使用CAD软件生成超导腔模型，以半波长腔为例，见图2和图3，采用分层软件对其进行分层，每个切片层描述了确定高度0.05-0.3mm的超导腔体的横截面；
3）使用气氛控制系统为成型室提供氩气纯度好于99.9996%，压力为0.1-0.2Mpa氩气保护环境；
4）将步骤1）的MgB2粉末摊铺到成型室工作台上；
5）使用扫描控制系统，根据超导腔切片层的软件模型描述，将激光能量“打印”到粉末层上，激光功率为50-1000W，激光波长1μm-20μm，产生MgB2切片层实体，该实体成为超导腔体的一部分；下一切片层又在第一个切片层实体上面继续被加工，一直到整个超导腔加工过程完成。
所述的MgB2超导腔的制备方法，还包括以下步骤：
（2）机械抛光：将采用步骤（1）制备的超导腔进行机械滚抛，滚抛后进行化学抛光，刻蚀掉腔体表面100-200um，去掉机械滚抛过程中在腔体内表面生产的污染层去除掉高频面上的松散MgB2粉末，提高超导腔内表面的光洁度；
（3）高温退火：将超导腔放在钛箱中，在高真空度好于10-3pa，退火温度为大于600℃，保温时间大于30分钟，提MgB2的高频性能；
（4）化学轻抛光：刻蚀掉腔体表面20-50um，去除掉机械滚抛在超导腔体内表面生成的污染层；
（5）清洗：在100级超净间中，超纯水电阻率高于18MΩ.cm，高纯水压力为8Mpa-10Mpa
（6）安装：在100级超净间中安装超导腔配件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种超导腔的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）制备：
1）原材料为超导材料粉末：粉末微粒粒度为小于50μm、纯度好于99%；
2）使用CAD软件生成超导腔模型，采用分层软件对其进行分层，每个切片层描述确定高度为小于0.5mm的超导腔体的横截面；
3）使用气氛控制系统为成型装置内提供氩气，氩气纯度好于99.9%，压力为0.1Mpa至1Mpa的氩气保护环境；
4）将步骤1）的超导材料粉末摊铺到成型装置的超导腔的成型台上；
5）使用扫描控制系统，根据超导腔切片层的软件模型描述，将激光能量“打印”到粉末层上，激光功率为大于50W，激光波长大于0.1μm，产生超导材料切片层实体，该实体成为超导腔体的一部分；下一切片层又在第一个切片层实体上面继续被加工，一直到整个超导腔加工过程完成。
2.如权利要求1所述的超导腔的制备方法，其特征在于还包括以下步骤：
（2）机械抛光：将采用步骤（1）制备的超导腔进行机械滚抛，滚抛后进行化学抛光，刻蚀掉腔体表面大于100um，去掉机械滚抛过程中在腔体内表面生产的污染层，去除掉高频面上的松散超导材料粉末，提高超导腔内表面的光洁度；
（3）高温退火：将超导腔放在钛箱中，在高真空度好于10-3pa，退火温度为高于600℃，保温时间大于30分钟，提高超导材料的高频性能；
（4）化学轻抛光：刻蚀掉腔体表面大于10um，去除掉机械滚抛在超导腔体内表面生成的污染层；
（5）清洗：在超净间中，超纯水电阻率高于18MΩ.cm，高纯水压力为大于1Mpa；
（6）安装：在超净间中安装超导腔配件。
3.如权利要求1所述的超导腔的制备方法，其特征在于所述的成型装置包括有在超导材料粉末供料缸中设有供料升降装置，在超导材料粉末供料缸的一侧设有成型台，在成型台上设有铺粉辊，在成型台的另一侧设有超导材料粉末收集缸；在成型台上方设有激光源，激光源发出的激光经光学系统和扫描系统照射在成型台上的超导材料粉末上，点激光源在超导材料粉末上移动；在成型台的下方设有成型升降装置；激光源由微机软件控制；超导材料粉末供料缸、成型台、超导材料粉末收集缸、铺粉辊放置在成型装置中，成型装置内充氩气。
4.如权利要求1所述的超导腔的制备方法，其特征在于所述的超导材料粉末为高纯铌粉末或Nb3Sn粉末或MgB2粉末。
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