CN105321626A

CN105321626A - 一种低磁滞损耗内锡法制备Nb3Sn超导线材的方法

Info

Publication number: CN105321626A
Application number: CN201510834245.9A
Authority: CN
Inventors: 史一功; 张科; 高慧贤; 刘建伟; 李建峰; 张丰收; 刘向宏; 冯勇
Original assignee: Western Superconducting Technologies Co Ltd
Current assignee: Western Superconducting Technologies Co Ltd
Priority date: 2015-11-25
Filing date: 2015-11-25
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2035-11-25
Also published as: CN105321626B

Abstract

本发明公开了一种低磁滞损耗内锡法制备Nb₃Sn超导线材的方法，包括：在无氧铜锭横截面上划分为若干面积相等区域，每区域钻均布通孔，每两区域间有一部分不钻孔；将Nb棒插入铜锭通孔，两端加铜盖并封焊，得CuNb多芯包套，再加热挤压得到棒材，再拉伸定尺切断，得CuNb复合棒；将复合棒经深孔钻得CuNb复合管，再将SnTi合金棒插入复合管，拉伸成型得亚组元；将亚组元及阻隔层集束装入无氧铜管，得Nb₃Sn最终坯料，经多道次拉伸制得。本发明通过优化多孔铜锭中孔的分布，将均布通孔划分为几个有一定的间距的区域，减少了热处理过程中芯丝搭接，在保证线材较高临界电流密度水平的情况下使股线的磁滞损耗水平显著降低。

Description

一种低磁滞损耗内锡法制备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，具体涉及一种低磁滞损耗内锡法制备Nb₃Sn超导线材的方法。

背景技术

CS线圈，即中心螺线管线圈是ITER(国际热核聚变实验堆)磁体系统中运行磁场最高、运行环境要求最高的线圈，对导体和制造导体的超导线材都提出了非常苛刻的技术要求。CS线圈用Nb₃Sn超导线材的主要特点是具有较高的临界电流密度同时具有较低的磁滞损耗水平，是ITER磁体中性能要求最高的超导股线，其临界电流Ic在4.2K和12T条件下大于228A，在4.2K和±3T条件下磁滞损耗Qh小于500mJ/cm³。

内锡法是目前生产高电流密度、低成本Nb₃Sn线材的首选工艺，其加工周期短，成本较低，线材综合性能较好。生产内锡法Nb₃Sn超导线首先要制备多芯CuNb复合棒，钻孔法通过将Nb棒插入均匀分布着通孔的铜锭中，挤压获得多芯CuNb复合棒，工艺简单，成品率高。但是该方法制备的Nb₃Sn超导线芯丝间距较小，在最终热处理过程中，芯丝容易搭接使磁滞损耗增加，难以满足CS线圈用线材的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种低磁滞损耗内锡法制备Nb₃Sn超导线材的方法，解决了因现有方法制得的Nb₃Sn超导线芯丝间距较小而导致芯丝易搭接，造成磁滞损耗增加的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种低磁滞损耗内锡法制备Nb₃Sn超导线材的方法，具体包括以下步骤：

步骤1、

选取无氧铜锭作为坯锭，采用深孔钻的方法沿坯锭长度方向钻若干通孔，且在其半径方向保留1～3个区域不进行钻孔，作为孔之间的间隔区域，得到多孔铜锭；

步骤2、

对步骤1制得的多孔铜锭进行清洗，然后将清洗后的Nb棒插入清洗后的多孔铜锭通孔中，在其两端加上铜盖并用电子束封焊，得到CuNb多芯包套；

步骤3、

将步骤2得到的CuNb多芯包套加热并保温后进行挤压处理，将挤压得到的棒材拉伸后定尺切断，得到CuNb复合棒；

步骤4、

将步骤3得到的CuNb复合棒进行深孔钻得到CuNb复合管，将清洁后的SnTi合金棒插入CuNb复合管中，得到亚组元坯料，经拉伸成型处理，得到亚组元；

步骤5、

将阻隔层及步骤4得到的亚组元清洁后，集束装入清洗后的无氧铜管中，得到Nb₃Sn最终坯料，然后进行多次拉伸，制得Nb₃Sn超导线材。

本发明的特点还在于，

步骤1中，无氧铜锭的规格为直径200～300mm、长度400～700mm；通孔数量为100～200个，每个通孔直径为10～15mm；间隔区域的宽度为5～20mm。

步骤2中，对多孔铜锭进行清洗的具体方法为：首先采用金属清洁剂去除表面油污，然后用硝酸溶液清洁；Nb棒采用硝酸、氢氟酸和水的混合溶液清洁。

步骤2中，硝酸溶液的体积浓度为25％～40％；混合溶液中各组分的体积浓度为：硝酸25％～35％，氢氟酸15％～25％，余量为水。

步骤2中，电子束封焊的电流为50～150mA，真空度不大于10^-2Pa。

步骤3中，挤压得到的多芯复合棒直径为50～100mm，定尺切断得到的CuNb复合棒直径为40～60mm，长度为1000～2000mm。

步骤4中，CuNb复合管中心孔径为Φ15～25mm，SnTi合金棒采用丙酮清洁，亚组元的定尺长度为1500～3000mm。

步骤5中，亚组元和无氧铜管采用硝酸溶液清洁；阻隔层材料为Ta，阻隔层采用硝酸、氢氟酸和水的混合溶液清洁。

步骤5中，硝酸溶液的体积浓度为25％～40％；混合溶液中，各组分的体积浓度为硝酸25％～35％，氢氟酸15％～25％，余量为水。

步骤5中，Nb₃Sn最终坯料拉伸时的参数为：拉伸速度5～60m/min，道次加工率10％～20％。

本发明一种低磁滞损耗内锡法制备Nb₃Sn超导线材的方法的有益效果是，通过优化多孔铜锭中孔的分布，将均布通孔隔断为几个区域，不同区域之间有一定的间距，减少了热处理过程中芯丝的搭接，在保证线材较高临界电流密度水平的情况下使得股线的磁滞损耗水平显著降低。

附图说明

图1是本发明一种低磁滞损耗内锡法制备Nb₃Sn超导线材的方法中多孔铜锭示意图；

图2是传统方法制得的成品线材局部截面照片；

图3是本发明方法制得的成品线材局部截面照片。

图中，1.多孔铜锭，2.通孔，3.间隔区域。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种低磁滞损耗内锡法制备Nb₃Sn超导线材的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：取直径为200～300mm、长度为400～700mm的无氧铜锭作为坯锭，如图1所示，在横截面上钻100～200个直径为10～15mm的均布通孔2，且在半径方向留有1～3个宽度为5～20mm的区域不进行钻孔，作为孔之间的间隔区域3，得到多孔铜锭1；

步骤2：将步骤1制得的多孔铜锭1先用金属清洁剂去除表面油污，再用体积浓度为25％～40％的硝酸溶液清洁内孔和表面，采用25％～35％硝酸，15％～25％氢氟酸和余量为水的溶液清洁Nb棒，将清洁后的Nb棒插入多孔铜锭1的通孔2中，两端加上铜盖用电子束封焊，封焊电流为50～150mA，焊接真空度小于10^-2Pa，得到CuNb多芯包套；

步骤3：将步骤2得到的CuNb多芯包套加热至500℃～650℃，保温1～4小时后挤压得到Φ50～100mm的多芯复合棒，将多芯复合棒拉伸至Φ40～60mm后定尺切断为1000～2000mm的CuNb复合棒；

步骤4：将步骤3得到的CuNb复合棒进行深孔钻得到CuNb复合管，中心孔径为Φ15～25mm，将用丙酮清洁后的SnTi合金棒插入CuNb复合管中得到亚组元坯料，经过多道次拉伸和成型，定尺切断得到六方和异型亚组元，定尺长度为1500～3000mm；

步骤5：用体积浓度为25％～40％的硝酸溶液清洁步骤4得到的亚组元和无氧铜管，用25％～35％硝酸，15％～25％氢氟酸和余量为水的溶液清洁Ta阻隔层，将清洁后的19支亚组元和Ta阻隔层集束装入清洁后的无氧铜管中得到Nb₃Sn最终坯料，然后进行多道次拉伸，拉伸速度选择5～30m/min，道次加工率选择10％～20％，即可制得成品Nb₃Sn超导线材，局部截面照片如图3所示。

本发明一种低磁滞损耗内锡法Nb₃Sn超导线材的制备方法，通过优化多孔铜锭1中孔的分布，将原先如图2所示的均布通孔2隔断为几个区域，减少了热处理过程中芯丝的耦合，使得Nb₃Sn超导线材的有效芯丝直径大大减小，线材的磁滞损耗降低50％以上，同时线材的临界电流密度保持在较高水平，综合性能显著提高。

实施例1

步骤1：取直径为300mm、长度为650mm的无氧铜锭作为坯锭，在横截面上钻200个直径为10mm的均布通孔2，且在半径方向留有1个宽度为20mm的区域不进行钻孔，作为孔之间的间隔区域3，得到多孔铜锭1；

步骤2：将步骤1制得的多孔铜锭1先用金属清洁剂去除表面油污，再用体积浓度为40％的硝酸溶液清洁内孔和表面，采用35％硝酸，20％氢氟酸和余量为水的溶液清洁Nb棒，将清洁后的Nb棒插入多孔铜锭1的通孔2中，两端加上铜盖用电子束封焊，封焊电流为90mA，焊接真空度为6.0×10^-3Pa，得到CuNb多芯包套；

步骤3：将步骤2得到的CuNb多芯包套加热至600℃，保温2小时后挤压得到Φ100mm的多芯复合棒，将多芯复合棒拉伸至Φ60mm后定尺切断为1500mm的CuNb复合棒；

步骤4：将步骤3得到的CuNb复合棒进行深孔钻得到CuNb复合管，中心孔径为Φ25mm，将用丙酮清洁后的SnTi合金棒插入CuNb复合管中得到亚组元坯料，经过多道次拉伸和成型，定尺切断得到六方和异型亚组元，定尺长度为2000mm；

步骤5：用体积浓度为40％的硝酸溶液清洁步骤4得到的亚组元和无氧铜管，用35％硝酸，20％氢氟酸和余量为水的溶液清洁Ta阻隔层，将清洁后的19支亚组元和Ta阻隔层集束装入清洁后的无氧铜管中得到Nb₃Sn最终坯料，然后进行多道次拉，拉伸速度5m/min，道次加工率10％，即可制得成品Nb₃Sn超导线材。

实施例2

步骤1：取直径为250mm、长度为700mm的无氧铜锭作为坯锭，在横截面上钻150个直径为12mm的均布通孔2，且在半径方向留有2个宽度为5mm的区域不进行钻孔，作为孔之间的间隔区域3，得到多孔铜锭1；

步骤2：将步骤1制得的多孔铜锭1先用金属清洁剂去除表面油污，再用体积浓度为30％的硝酸溶液清洁内孔和表面，采用25％硝酸+15％氢氟酸+余量水的溶液清洁Nb棒，将清洁后的Nb棒插入多孔铜锭1的通孔2中，两端加上铜盖用电子束封焊，封焊电流为50mA，焊接真空度为7.0×10^-3Pa，得到CuNb多芯包套；

步骤3：将步骤2得到的CuNb多芯包套加热至650℃，保温1小时后挤压得到Φ50mm的多芯复合棒，将多芯复合棒拉伸至Φ40mm后定尺切断为1000mm的CuNb复合棒；

步骤4：将步骤3得到的CuNb复合棒进行深孔钻得到CuNb复合管，中心孔径为Φ15mm，将用丙酮清洁后的SnTi合金棒插入CuNb复合管中得到亚组元坯料，经过多道次拉伸和成型，定尺切断得到六方和异型亚组元，定尺长度为1500mm；

步骤5：用体积浓度为30％的硝酸溶液清洁步骤4得到的亚组元和无氧铜管，用25％硝酸，15％氢氟酸和余量为水的溶液清洁Ta阻隔层，将清洁后的19支亚组元和Ta阻隔层集束装入清洁后的无氧铜管中得到Nb₃Sn最终坯料，然后进行多道次拉伸，拉伸速度30m/min，道次加工率15％，即可制得成品Nb₃Sn超导线材。

实施例3

步骤1：取直径为Φ200mm、长度为400mm的无氧铜锭作为坯锭，在横截面上钻100个直径为Φ15mm的均布通孔2，且在半径方向留有3个宽度为10mm的区域不进行钻孔，作为孔之间的间隔区域3，得到多孔铜锭1；

步骤2：将步骤1制得的多孔铜锭1先用金属清洁剂去除表面油污，再用体积浓度为25％的硝酸溶液清洁内孔和表面，采用30％硝酸，25％氢氟酸和余量为水的溶液清洁Nb棒，将清洁后的Nb棒插入多孔铜锭1的通孔2中，两端加上铜盖用电子束封焊，封焊电流为150mA，焊接真空度为5.0×10^-3Pa，得到CuNb多芯包套；

步骤3：将步骤2得到的CuNb多芯包套加热至500℃，保温4小时后挤压得到Φ70mm的多芯复合棒，将多芯复合棒拉伸至Φ50mm后定尺切断为2000mm的CuNb复合棒；

步骤4：将步骤3得到的CuNb复合棒进行深孔钻得到CuNb复合管，中心孔径为Φ20mm，将用丙酮清洁后的SnTi合金棒插入CuNb复合管中得到亚组元坯料，经过多道次拉伸和成型，定尺切断得到六方和异型亚组元，定尺长度为3000mm；

步骤5：用体积浓度为25％的硝酸溶液清洁步骤4得到的亚组元和无氧铜管，用30％硝酸，25％氢氟酸和余量为水的溶液清洁Ta阻隔层，将清洁后的19支亚组元和Ta阻隔层集束装入清洁后的无氧铜管中得到Nb₃Sn最终坯料，然后进行多道次拉伸，拉伸速度60m/min，道次加工率20％，即可制得成品Nb₃Sn超导线材。

Claims

1.一种低磁滞损耗内锡法制备Nb₃Sn超导线材的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、

选取无氧铜锭作为坯锭，采用深孔钻的方法沿坯锭长度方向钻若干通孔(2)，且在其半径方向保留1～3个区域不进行钻孔，作为孔之间的间隔区域(3)，得到多孔铜锭(1)；

步骤2、

对步骤1制得的多孔铜锭(1)进行清洗，然后将清洗后的Nb棒插入清洗后的多孔铜锭(1)的通孔(2)中，在其两端加上铜盖并用电子束封焊，得到CuNb多芯包套；

步骤3、

步骤4、

步骤5、

2.根据权利要求1所述的一种低磁滞损耗内锡法制备Nb₃Sn超导线材的方法，其特征在于，所述步骤1中，无氧铜锭的规格为直径200～300mm、长度400～700mm；通孔数量为100～200个，每个通孔直径为10～15mm；间隔区域的宽度为5～20mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种低磁滞损耗内锡法制备Nb₃Sn超导线材的方法，其特征在于，所述步骤2中，对多孔铜锭进行清洗的具体方法为：首先采用金属清洁剂去除表面油污，然后用硝酸溶液清洁；Nb棒采用硝酸、氢氟酸和水的混合溶液清洁。

4.根据权利要求3所述的一种低磁滞损耗内锡法制备Nb₃Sn超导线材的方法，其特征在于，所述硝酸溶液的体积浓度为25％～40％；混合溶液中各组分的体积浓度为：硝酸25％～35％，氢氟酸15％～25％，余量为水。

5.根据权利要求1或2所述的一种低磁滞损耗内锡法制备Nb₃Sn超导线材的方法，其特征在于，所述步骤2中，电子束封焊的电流为50～150mA，真空度不大于10^-2Pa。

6.根据权利要求1所述的一种低磁滞损耗内锡法制备Nb₃Sn超导线材的方法，其特征在于，所述步骤3中，加热温度为500～600，保温时间1～4小时；挤压得到的多芯复合棒直径为50～100mm，定尺切断得到的CuNb复合棒直径为40～60mm，长度为1000～2000mm。

7.根据权利要求1或2所述的一种低磁滞损耗内锡法制备Nb₃Sn超导线材的方法，其特征在于，所述步骤4中，CuNb复合管中心孔径为Φ15～25mm，SnTi合金棒采用丙酮清洁，亚组元的定尺长度为1500～3000mm。

8.根据权利要求1或2所述的一种低磁滞损耗内锡法制备Nb₃Sn超导线材的方法，其特征在于，所述步骤5中，亚组元和无氧铜管采用硝酸溶液清洁；阻隔层材料为Ta，阻隔层采用硝酸、氢氟酸和水的混合溶液清洁。

9.根据权利要求8所述的一种低磁滞损耗内锡法制备Nb₃Sn超导线材的方法，其特征在于，所述硝酸溶液的体积浓度为25％～40％；混合溶液中，各组分的体积浓度为硝酸25％～35％，氢氟酸15％～25％，余量为水。

10.根据权利要求8所述的一种低磁滞损耗内锡法制备Nb₃Sn超导线材的方法，其特征在于，所述步骤5中，Nb₃Sn最终坯料拉伸时的参数为：拉伸速度5～60m/min，道次加工率10％～20％。