CN105304208B

CN105304208B - 一种Nb3Al超导线材前驱体的制备方法

Info

Publication number: CN105304208B
Application number: CN201510657540.1A
Authority: CN
Inventors: 王大友; 潘熙锋; 闫果; 侯艳荣; 崔利军; 王韵涵; 刘向宏; 冯勇; 张平祥
Original assignee: Western Superconducting Technologies Co Ltd
Current assignee: Western Superconducting Technologies Co Ltd
Priority date: 2015-10-13
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2035-10-13
Also published as: CN105304208A

Abstract

本发明公开了一种Nb₃Al超导线材前驱体的制备方法，包括：用Nb棒、含有Ta的箔材和Cu管制备单芯复合棒；将制得单芯复合棒通过轧制工序轧制成正六边形的六方棒；将若干根制得的六方棒装入Cu包套管内并密封，形成复合坯锭；将制得的复合坯锭通过热挤出加工工序制得Cu包套的复合棒材；将制得的复合棒材通过多道次拉拔加工工序，制得Nb₃Al超导线材前驱体导线。通过本发明制备的Nb₃Al超导线材前驱体在不影响超导转变温度、临界电流密度和上临界磁场等超导性能的前提下，有效抑制超导性能芯丝间耦合，显著降低了最终超导线材的交流损耗值。

Description

一种Nb3Al超导线材前驱体的制备方法

技术领域

本发明属于超导材料制备技术领域，具体涉及一种Nb₃Al超导线材前驱体的制备方法。

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(6000～10000万℃)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。

目前，Nb₃Al前驱体导线的制备方法主要有两种：套管法和卷绕法。两者的主要区别是：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超导线材热处理过程中要求Nb-Al扩散间距小于1微米，而且Nb₃Al前驱体导线在加工过程中无法对Nb进行去应力退火，因此，相对于套管法，卷绕法前驱体导线的塑性变形加工量更小，更容易于加工。但是，在目前的卷绕法Nb₃Al前驱体导线中，通常以Nb作为基体。由于Nb金属也是低温超导体，超导转变温度达9.2K，而Nb₃Al超导线材的使用温度在液氦温度4.2K，这种情况造成了Nb基Nb₃Al超导线材在使用过程中存在显著的超导性能芯丝耦合和磁通跳跃等现象，从而导线Nb₃Al超导线材的交流损耗值过大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Nb₃Al超导线材前驱体的制备方法，解决了现有超导线材制备时存在的芯丝耦合、磁通跳跃的问题。

本发明的具体技术方案是，一种Nb₃Al超导线材前驱体的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，用Nb棒、含有Ta的箔材和Cu管制备单芯复合棒；

步骤2，将制得单芯复合棒通过轧制工序轧制成正六边形的六方棒；

步骤3，将若干根制得的六方棒装入Cu包套管内并密封，形成复合坯锭；

步骤4，将制得的复合坯锭通过热挤出加工工序制得Cu包套的复合棒材；

步骤5，将制得的复合棒材通过多道次拉拔加工工序，制得Nb₃Al超导线材前驱体导线。

本发明的特点还在于，

步骤1的具体实施方法为，以Nb棒为中心，将厚度比为3：1的Nb箔和Al箔对Nb棒进行卷绕，然后再卷1～3层含有Ta的箔材，作为阻隔层；将卷绕后的Nb棒装入Cu管内，以每分钟1～10m的速率进行拉拔加工，制得Nb/Al/Ta/Cu单芯复合棒。

步骤2的具体实施方法为，将经步骤1制得的Nb/Al/Ta/Cu单芯复合棒轧制成对边距为1～10mm、长度200～300mm的正六边形棒材，然后将表面Cu腐蚀去掉，制得六方棒。

步骤3的具体实施方法为，将至少两根经步骤2制得的六方棒装入Cu包套管内，并采用焊接的方式将Cu包套管密封，制得复合坯锭。

步骤4的具体实施方法为，将经步骤3制得的复合锭体在4000～6000kN的压力下进行等静压加工，然后预加热到100～300℃，并在4000～6000kN的推力作用下，以每分钟0.5～1.5m的速率进行热挤出加工，制得Cu包套的复合棒材。

步骤5的具体实施方法为，将经步骤4制得的复合棒材以每道次10％～20％变形率和每分钟1～10m的速率进行多道次的拉拔加工，制得Nb₃Al超导线材前驱体。

含有Ta的箔材为纯Ta箔或Ta-Cu-Ta复合箔材。

单芯复合棒为Nb/Al/Ta/Cu单芯复合棒或Nb/Al/Ta-Cu-Ta单芯复合棒。

六方棒为Nb-Al/Ta或Nb-Al/Ta-Cu-Ta六方棒。

超导线材前驱体导线的直径为0.5～1.5mm。

本发明的有益效果是：一种Nb₃Al超导线材前驱体的制备方法，通过采用Ta箔或Ta-Cu-Ta复合箔材阻隔层卷绕在Nb-Al箔复合体外面，再装入铜管内进行后续加工，制备的Nb₃Al超导线材前驱体导线在不影响超导转变温度、临界电流密度和上临界磁场等超导性能的前提下，有效抑制超导性能芯丝间耦合，显著降低了最终超导线材的交流损耗值。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种Nb₃Al超导线材前驱体的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，用Nb棒、纯Ta箔或Ta-Cu-Ta复合箔材和Cu管制备单芯复合棒：以Nb棒为中心，将厚度比为3：1的Nb箔和Al箔对Nb棒进行卷绕，然后再卷1～3层含有Ta的箔材，作为阻隔层；将卷绕后的Nb棒装入Cu管内，以每分钟1～10m的速率进行拉拔加工，制得Nb/Al/Ta/Cu单芯复合棒或Nb/Al/Ta-Cu-Ta单芯复合棒；

步骤2，将制得单芯复合棒通过轧制工序轧制成正六边形的六方棒：将经步骤1制得的单芯复合棒轧制成对边距为1～10mm、长度200～300mm的正六边形棒材，然后将表面Cu腐蚀去掉，制得Nb-Al/Ta六方棒或Nb-Al/Ta-Cu-Ta六方棒；

步骤3，将若干根制得的六方棒装入Cu包套管内并密封，形成复合坯锭：将至少两根经步骤2制得的六方棒装入Cu包套管内，并采用焊接的方式将Cu包套管密封，制得复合坯锭；

步骤4，将制得的复合坯锭通过热挤出加工工序制得Cu包套的复合棒材：将经步骤3制得的复合锭体在4000～6000kN的压力下进行等静压加工，然后预加热到100～300℃,并在4000～6000kN的推力作用下，以每分钟0.5～1.5m的速率进行热挤出加工，制得Cu包套的复合棒材；

步骤5，将制得的复合棒材通过多道次拉拔加工工序，制得Nb₃Al超导线材前驱体导线：将经步骤4制得的复合棒材以每道次10％～20％变形率和每分钟1～10m的速率进行多道次的拉拔加工，制得Nb₃Al超导线材前驱体导线，其直径为0.5～1.5mm。

实施例1

以直径8mm，长度300mm的Nb棒为中心，将厚度0.3mm的Nb箔和厚度0.1mm的Al箔进行卷绕，然后再卷1层Ta箔作为阻隔层，卷绕后的直径为23mm；将卷绕后的Nb棒装入内径为24mm，厚度为6mm的Cu管内，并以每分钟1m的速率进行拉拔加工，制得直径为10mm的Nb/Al/Ta/Cu单芯复合棒；将Nb/Al/Ta/Cu单芯复合棒轧制成对边距为1mm、长度200mm的正六边形棒材，然后将表面Cu腐蚀去掉，制得Nb-Al/Ta六方棒；将144根长度为300mm的六方棒装入Cu包套管内(内径36mm和厚度6mm)，并采用焊接的方式将Cu包套管密封，制得复合坯锭；将复合锭体在4000kN的压力下进行等静压加工，然后预加热到100℃,并在4000kN的推力作用下，以每分钟0.5m的速率进行热挤出加工，制得Cu包套的复合棒材；将复合棒材以每道次10％变形率和每分钟1m的速率进行多道次的拉拔加工，制得Nb₃Al超导线材前驱体导线，其直径为0.5mm。

取本实施例中线材的一段采用低温扩散热处理，在850℃下烧结2h后进行性能测试，获得导线的临界电流在4.2K、12T下为85A，超导转变温度15K，交流损耗值在4.2K、±5T范围内为190mJ/cm³。

实施例2

以直径8mm，长度300mm的Nb棒为中心，将厚度0.3mm的Nb箔和厚度0.1mm的Al箔进行卷绕，然后再卷1层Ta-Cu-Ta复合箔材，作为阻隔层，卷绕后的直径为23mm；将卷绕后的Nb棒装入内径为24mm，厚度为6mm的Cu管内，并以每分钟3m的速率进行拉拔加工，制得直径为10mm的Nb/Al/Ta-Cu-Ta单芯复合棒；将Nb/Al/Ta-Cu-Ta单芯复合棒轧制成对边距为6mm、长度250mm的正六边形棒材，然后将表面Cu腐蚀去掉，制得Nb-Al/Ta-Cu-Ta六方棒；将61根长度为200mm的六方棒装入Cu包套管内(内径36mm和厚度6mm)，并采用焊接的方式将Cu包套管密封，制得复合坯锭；将复合锭体在4500kN的压力下进行等静压加工，然后预加热到150℃,并在4500kN的推力作用下，以每分钟1m的速率进行热挤出加工，制得Cu包套的复合棒材；将复合棒材以每道次13％变形率和每分钟3m的速率进行多道次的拉拔加工，制得Nb₃Al超导线材前驱体导线，其直径为1mm。

取本实施例中线材的一段采用低温扩散热处理，在850℃下烧结2h后进行性能测试，获得导线的临界电流在4.2K、12T下为102A，超导转变温度15.2K，交流损耗值在4.2K、±5T范围内为220mJ/cm³。

实施例3

以直径8mm，长度300mm的Nb棒为中心，将厚度0.3mm的Nb箔和厚度0.1mm的Al箔进行卷绕，然后再卷2层Ta-Cu-Ta复合箔材，作为阻隔层，卷绕后的直径为23mm；将卷绕后的Nb棒装入内径为24mm，厚度为6mm的Cu管内，并以每分钟5m的速率进行拉拔加工，制得直径为10mm的Nb/Al/Ta-Cu-Ta单芯复合棒；将Nb/Al/Ta-Cu-Ta单芯复合棒轧制成对边距为8mm、长度270mm的正六边形棒材，然后将表面Cu腐蚀去掉，制得 Nb-Al/Ta-Cu-Ta六方棒；将37根长度为200mm的六方棒装入Cu包套管内(内径36mm和厚度6mm)，并采用焊接的方式将Cu包套管密封，制得复合坯锭；将复合锭体在5000kN的压力下进行等静压加工，然后预加热到200℃,并在5000kN的推力作用下，以每分钟1.2m的速率进行热挤出加工，制得Cu包套的复合棒材；将复合棒材以每道次16％变形率和每分钟8m的速率进行多道次的拉拔加工，制得Nb₃Al超导线材前驱体导线，其直径为1.2mm。

取本实施例中线材的一段采用低温扩散热处理，在850℃下烧结2h后进行性能测试，获得导线的临界电流在4.2K、12T下为97A，超导转变温度15K，交流损耗值在4.2K、±5T范围内为240mJ/cm³。

实施例4

以直径8mm，长度300mm的Nb棒为中心，将厚度0.3mm的Nb箔和厚度0.1mm的Al箔进行卷绕，然后再卷3层Ta-Cu-Ta复合箔材，作为阻隔层，卷绕后的直径为23mm；将卷绕后的Nb棒装入内径为24mm，厚度为6mm的Cu管内，并以每分钟10m的速率进行拉拔加工，制得直径为10mm的Nb/Al/Ta-Cu-Ta单芯复合棒；将Nb/Al/Ta-Cu-Ta单芯复合棒轧制成对边距为10mm、长度300mm的正六边形棒材，然后将表面Cu腐蚀去掉，制得Nb-Al/Ta-Cu-Ta六方棒；将2根长度为200mm的六方棒装入Cu包套管内(内径36mm和厚度6mm)，并采用焊接的方式将Cu包套管密封，制得复合坯锭；将复合锭体在6000kN的压力下进行等静压加工，然后预加热到300℃,并在6000kN的推力作用下，以每分钟1.5m的速率进行热挤出加工，制得Cu包套的复合棒材；将复合棒材以每道次20％变形率和每分钟10m的速率进行多道次的拉拔加工，制得Nb₃Al超导线材前驱体导线，其直径为 1.5mm。

取本实施例中线材的一段采用低温扩散热处理，在850℃下烧结2h后进行性能测试，获得导线的临界电流在4.2K、12T下为120A，超导转变温度15.6K，交流损耗值在4.2K、±5T范围内为205mJ/cm³。

Claims

1.一种Nb₃Al超导线材前驱体的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1，用Nb棒、含有Ta的箔材和Cu管制备单芯复合棒：

以Nb棒为中心，将厚度比为3：1的Nb箔和Al箔对Nb棒进行卷绕，然后再卷1～3层含有Ta的箔材，作为阻隔层；将卷绕后的Nb棒装入Cu管内，以每分钟1～10m的速率进行拉拔加工，制得单芯复合棒；

步骤2，将制得单芯复合棒通过轧制工序轧制成正六边形的六方棒：

将经步骤1制得的Nb/Al/Ta/Cu单芯复合棒轧制成对边距为1～10mm、长度200～300mm的正六边形棒材，然后将表面Cu腐蚀去掉，制得六方棒；

步骤5，将制得的复合棒材通过多道次拉拔加工工序，制得Nb₃Al超导线材前驱体。

2.如权利要求1所述的一种Nb₃Al超导线材前驱体的制备方法，其特征在于，所述步骤3的具体实施方法为，将至少两根经步骤2制得的六方棒装入Cu包套管内，并采用焊接的方式将Cu包套管密封，制得复合坯锭。

3.如权利要求2所述的一种Nb₃Al超导线材前驱体的制备方法，其特征在于，所述步骤4的具体实施方法为，将经步骤3制得的复合锭体在4000～6000kN的压力下进行等静压加工，然后预加热到100～300℃,并在4000～6000kN的推力作用下，以每分钟0.5～1.5m的速率进行热挤出加工，制得Cu包套的复合棒材。

4.如权利要求3所述的一种Nb₃Al超导线材前驱体的制备方法，其特征在于，所述步骤5的具体实施方法为，将经步骤4制得的复合棒材以每道次10％～20％变形率和每分钟1～10m的速率进行多道次的拉拔加工，制得Nb₃Al超导线材前驱体导线。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种Nb₃Al超导线材前驱体的制备方法，其特征在于，所述含有Ta的箔材为纯Ta箔或Ta-Cu-Ta复合箔材。

6.如权利要求5所述的一种Nb₃Al超导线材前驱体的制备方法，其特征在于，所述单芯复合棒为Nb/Al/Ta/Cu单芯复合棒或Nb/Al/Ta-Cu-Ta单芯复合棒。

7.如权利要求6所述的一种Nb₃Al超导线材前驱体的制备方法，其特征在于，所述六方棒为Nb-Al/Ta或Nb-Al/Ta-Cu-Ta六方棒。

8.如权利要求1所述的一种Nb₃Al超导线材前驱体的制备方法，其特征在于，所述超导线材前驱体导线的直径为0.5～1.5mm。