CN107275002B - 一种铌三铝超导线材前驱体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铌三铝超导线材前驱体的制备方法，首先在Nb棒上依次卷绕Nb箔和Al箔叠加层、Cu阻隔层和Nb保护层，挤压加工成Nb‑Al单芯棒，然后将多根Nb‑Al单芯棒装入到包套Cu管中，焊接密封，依次经过挤压、拉拔以及腐蚀去Cu工艺，即得到Nb3Al超导线材前驱体。本发明通过在单根芯丝内部增加Cu阻隔层，避免了Nb3Al线材使用过程中的磁通跳跃现象。通过在Cu阻隔层外卷绕Nb层，既可以对Cu阻隔层起到保护作用，防止加工过程中破损，还可以防止线材热处理过程中，各个芯丝的Cu阻隔层相互连接，形成连通的网络，从而降低线材横截面的均匀性，导致Nb3Al超导线材载流性能不均匀。

Description

一种铌三铝超导线材前驱体的制备方法
技术领域
本发明属于低温超导线材制备技术领域，具体涉及一种铌三铝超导线材前驱体的制备方法。
背景技术
Nb3Al是目前超导转变温度(Tc)、临界电流密度(Jc)和上临界场(Hc2)等综合实用性能最好的低温超导材料。它与Nb3Sn相比，Tc达到19.3K，也属于A15结构金属间化合物和晶界钉扎超导体；而且具有更高的Hc2和更好的高场Jc特性；尤其重要的是，它比Nb3Sn具有更优良的应力-应变容许特性。因此Nb3Al超导线材被认为在下一代热磁约束聚变反应堆(ITER)、高能粒子加速器(LHC)和核磁共振谱仪(NMR)等超导磁体应用上有着巨大的潜力。按照热处理方式的不同，Nb3Al超导线材可以分为两种，一种是基于“低温扩散热处理”的Nb3Al超导线材，另一种是基于“高温急热急冷(RHQ)和成相热处理”的Nb3Al超导线材。前者制备工艺简单，成本低廉，但是性能较低，主要用磁场强度在小于100,000高斯的Nb3Al超导磁体；后者性能更加优良，制作工艺复杂，主要用于磁场强度高于150,000高斯的Nb3Al超导磁体。
Nb3Al超导线材的制备过程分为“前驱体线材制备”和“热处理”两部分。前驱体线材通常采用Nb-Al箔材卷绕后制作成单芯棒，随后通过多芯组装、静液挤压和拉拔等工艺制作成多芯线材。而热处理通常需要采用“高温急热急冷(RHQ)”将多芯的Nb-Al复合线材生成Nb(Al)ss过饱和固溶体线材，随后通过低温扩散成相热处理，生成Nb3Al超导线材。
目前卷绕法Nb3Al超导线材存在的有两种结构如图1所示，第一种结构(如图a所示)以Nb为基体，将Nb箔和Al箔叠加后卷绕在Nb棒上，再卷绕几层Nb箔，加工成Nb-Al单芯棒，然后依次进行多芯组装，真空电子束密封、静液挤压和拉拔加工，从而制作成长线。第二种结构(如图b所示)的区别在于制作过程中，是将Nb箔和Al箔卷绕在Nb棒上后，再卷绕上几层Cu箔，从而形成Cu基体的Nb3Al超导线材。
在上述两种结构中，第一种结构以Nb为基体，由于Nb在低温4.2K下为超导体，因此，在使用过程中Nb3Al芯丝之间为形成磁通耦合回路，造成磁通跳跃现象，这对于Nb3Al超导线材的使用会造成不稳定性。为避免磁通耦合，第二种结构采用Cu基体，即将Nb3Al芯丝用Cu隔开，避免磁通耦合，从而起到抑制磁通跳跃的效果。但是由于前驱体线材，在制作完成后需要经过高温急热急冷热处理(2000℃/0.1秒)，铜的熔点只有1080℃，而且各个芯丝的Cu相互连接，形成了网络状，因此热处理过程中，熔化的Cu基体很容易在连通的网络之间流通，从而造成超导线材横截面的不均匀性，影响Nb3Al超导线材实用过程中的电磁稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种铌三铝超导线材前驱体的制备方法，解决了现有Nb3Al超导线材使用过程中存在的磁通跳跃和结构不均匀，导致电磁不稳定性的问题。
本发明所采用的技术方案是：一种铌三铝超导线材前驱体的制备方法，首先在Nb棒上依次卷绕Nb箔和Al箔叠加层、Cu阻隔层和Nb保护层，挤压加工成Nb-Al单芯棒，然后将多根Nb-Al单芯棒装入到包套Cu管中，焊接密封，依次经过挤压、拉拔以及腐蚀去Cu工艺，将其加工成Nb-Al多芯复合线材，即得到Nb3Al超导线材前驱体。
本发明的特点还在于，
具体包括以下步骤：
步骤1，制作Nb-Al单芯棒：
将Nb箔和Al箔叠加后卷绕在Nb棒上，然后卷上Cu箔，再卷上Nb箔，最后装入Cu管，制成含Cu阻隔层的Cu/Nb-Al复合体；利用静液挤压方法将该复合体挤出成正六方形单芯棒；将单芯棒置于酸液中将表面Cu管腐蚀去除，获得含Cu阻隔层的Nb-Al单芯棒；
步骤2，装管密封：
将若干根步骤1获得的Nb-Al六方单芯棒装入到Cu包套管中，并在边缘空隙处插入Nb棒，然后将Cu包套管进行真空电子束焊接密封，制作成Cu/Nb-Al多芯复合包套；
步骤3，塑性加工：
采用静液挤压方法，将步骤2中制得的Cu/Nb-Al多芯复合包套挤压成棒材，然后采用拉拔或辊轧的方法将其加工成线材；
步骤4，腐蚀去Cu：
将步骤3中获得的Cu/Nb-Al多芯复合线材置于酸液中，将其表面Cu包套管腐蚀去除，即获得Nb3Al超导线材前驱体。
步骤1中Cu箔、Nb箔和Al箔宽度为100～300mm，Nb箔和Cu箔厚度为0.03～0.3mm，Al箔厚度为Nb箔的1/3。
步骤1中Nb-Al箔卷绕在Nb棒上后卷绕的Cu箔为1～10层，最后卷绕的Nb箔为1～10层。
步骤1中Nb-Al卷绕在Nb棒上的厚度与Nb棒直径的比值为1～2。
步骤1中获得Nb-Al单芯棒对边距为1.0～10.0mm。
步骤2中Cu包套管内径为10～200mm。
步骤4中Nb3Al超导线材前驱体直径为1.50～2.0mm。
本发明的有益效果是，本发明一种铌三铝超导线材前驱体的制备方法，通过在单根芯丝内部增加Cu阻隔层，可以防止超导线材芯丝间的磁通耦合，从而避免了普通Nb3Al线材使用过程中的磁通跳跃现象。另外，通过在Cu阻隔层外卷绕Nb层，既可以对Cu阻隔层起到保护作用，防止加工过程中破损，同时还可以防止线材在高温急热急冷热处理(2000℃/0.1秒)过程中，各个芯丝的Cu阻隔层相互连接，形成连通的网络，从而降低线材横截面的均匀性，导致Nb3Al超导线材载流性能不均匀。本发明方法简单，适合于超导长线的制备，有利于大规模的推广应用，有着巨大的商业价值。利用本发明方法制作的Nb3Al超导线材可以满足未来磁约束聚变反应堆用超导磁体的使用要求，为我国自主建立磁约束聚变工程堆(CFETR)奠定材料基础。
附图说明
图1是现有常规的两种结构的Nb3Al超导线材横截面示意图，其中a为Nb基结构线材，b为Cu基体结构线材。
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。
本发明一种铌三铝超导线材前驱体的制备方法，首先将Nb箔和Al箔叠加后卷绕在Nb棒上，再依次卷绕Cu阻隔层和Nb保护层，随后挤压加工成Nb-Al单芯棒，然后将多根Nb-Al单芯棒装入到包套Cu管中，依次经过真空电子束焊接密封、静液挤压和拉拔以及腐蚀去Cu等工艺，将其加工成Nb-Al多芯复合线材，即得。具体包括以下步骤：
步骤1，制作Nb-Al单芯棒：
将宽度为100～300mm、厚度为0.03～0.3mm的Nb箔和宽度为100～300mm、厚度为0.01～0.1mm的Al箔叠加后卷绕在Nb棒上并装入Cu包套管中，Nb-Al卷绕在Nb棒上的厚度与Nb棒直径的比值为1～2，获得Cu/Nb-Al复合体，在室温下利用静液挤压技术，以1～5m/min的速度将Cu/Nb-Al复合体挤出成棒材，然后用体积浓度为30％～40％的稀硝酸溶液将其表面的Cu腐蚀去除，获得直径为1.0～10.0mm的Nb-Al单芯棒。
步骤2，装管密封：
将若干根步骤1获得的Nb-Al六方单芯棒装入到内径为10～200mmCu包套管中，并在边缘空隙处插入Nb棒，然后将Cu包套管进行真空电子束焊接密封，制作成Cu/Nb-Al多芯复合包套。
步骤3，塑性加工：
采用静液挤压方法，将步骤2制得的Cu/Nb-Al多芯复合包套挤压成棒材，然后以10～20％的道次变形率，采用拉拔或辊轧的方法将其加工成线材。
步骤4，腐蚀去Cu：
将步骤3中获得的Cu/Nb-Al多芯复合线材置于体积浓度为30％～40％的稀硝酸溶液中，将其表面Cu包套管腐蚀去除，即获得直径为0.50～1.50mm的Nb3Al超导线材前驱体。
本发明一种低损耗Nb3Al超导线材前驱体的制备方法，采用静液挤压技术，对Nb箔和Al箔卷绕后的单芯棒材进行室温挤压，使得Nb箔和Al箔之间的结合通过大变形量的挤压得到改善；从而增强千米长Nb3Al前驱体线材的均匀性和成品Nb3Al超导线材超导性能。解决了卷绕法制备Nb3Al前驱体线材过程中Nb箔和Al箔变形不均匀的问题，以及由该问题引起的加工时容易断线、线材临界电流性能较低等一系列问题，制备方法简单，适合于超导长线的制备，有利于大规模的推广应用，有着巨大的商业价值。
将本发明获得的Nb3Al超导线材前驱体采用电加热方法，在真空环境下将移动的Nb3Al超导线材前驱体在0.1秒内分段连续地加热至约2000℃，并让该线材通过镓池进行急速冷却，获得不含Nb或Nb2Al析出相的Nb(Al)ss过饱和固溶体，最后对线材进行成相热处理，即可获得晶粒细小、且Nb/Al原子比接近3:1的Nb3Al超导线材。
实施例1
步骤1，制作Nb-Al单芯棒
取宽度为100mm的Cu箔、Nb箔和Al箔，其中Cu箔和Nb箔厚度为0.03mm，Al箔厚度为0.01mm。将Nb箔和Al箔叠加后卷绕在直径5.0mm的Nb棒上至直径为10mm，然后分别缠绕1层Cu箔和Nb箔，装入内径12.8mm、壁厚1.2mm的Cu包套管中，获得Cu/Nb-Al复合体。利用室温静液挤压方法，将Cu/Nb-Al复合体挤出成对边距为1.20mm的Nb-Al单芯棒。将该棒材表面Cu包套管用硝酸腐蚀去除后，切成若干根长度为200mm的棒材，从而获得对边距为1.0mm、长度200mm的单芯棒。
步骤2，装管密封
将54根步骤1获得的Nb-Al单芯棒装入外径10.0mm，壁厚1.25mm的Cu包套管中，然后进行真空电子束焊接密封，制作成Cu/Nb-Al复合包套。
步骤3，塑性加工
将步骤2得到的54芯Cu/Nb-Al复合线材采用辊模拉拔的方法，以单道次10％的加工率，将其加工成直径2.0mm的多芯复合线材。
步骤4，腐蚀去Cu
将步骤3中获得的直径2.0mm Nb3Al超导线材前驱体，放置在硝酸中，待表面Cu包套管完全腐蚀后，即获得直径为1.50mm的多芯Nb3Al前驱体线材。
取本实施例中线材的一段进行高温急热急冷(RHQ)和成相热处理后，对所获得的Nb3Al线材进行超导性能测试，其超导转变温度达到18.2K，临界电流密度Jc在4.2K、15T下，达到755A/mm2；交流损耗值Qh(4.2K，3T)为180mJ/cm3。
实施例2
步骤1，制作Nb-Al单芯棒
取宽度为200mm的Cu箔、Nb箔和Al箔，其中Cu箔和Nb箔厚度为0.03mm，Al箔厚度为0.01mm。将Nb箔和Al箔叠加后卷绕在直径5.0mm的Nb棒上至直径为10mm，然后分别缠绕5层Cu箔和Nb箔，装入内径10.5mm、壁厚1.0mm的Cu包套管中，获得Cu/Nb-Al复合体。利用室温静液挤压方法，将Cu/Nb-Al复合体挤出成对边距为3.60mm的Nb-Al单芯棒。将该棒材表面Cu包套管用硝酸腐蚀去除后，切成若干根长度为200mm的棒材，从而获得对边距为3.0mm、长度200mm的单芯棒。
步骤2，装管密封
将172根步骤1获得的Nb-Al单芯棒装入外径100.0mm，壁厚6.0mm的Cu包套管中，并在边缘空隙处填入异型Nb插棒，然后进行真空电子束焊接密封，制作成Cu/Nb-Al复合包套。
步骤3，塑性加工
将步骤2得到的172芯Cu/Nb-Al复合线材采用圆模拉拔的方法，以单道次12％的加工率，将其加工成直径2.0mm的多芯复合线材。
步骤4，腐蚀去Cu
将步骤3中获得的直径2.0mm Nb3Al超导线材前驱体，放置在硝酸中，待表面Cu包套管完全腐蚀后，即获得直径为1.80mm的多芯Nb3Al前驱体线材。
取本实施例中线材的一段进行高温急热急冷(RHQ)和成相热处理后，对所获得的Nb3Al线材进行超导性能测试，其超导转变温度达到17.5K，临界电流密度Jc在4.2K、15T下，达到690A/mm2；交流损耗值Qh(4.2K，3T)为102mJ/cm3。
实施例3
步骤1，制作Nb-Al单芯棒
取宽度为300mm的Cu箔、Nb箔和Al箔，其中Cu箔和Nb箔厚度为0.03mm，Al箔厚度为0.01mm。将Nb箔和Al箔叠加后卷绕在直径5.0mm的Nb棒上至直径为15mm，然后分别缠绕10层Cu箔和Nb箔，装入内径19.0mm、壁厚1.5mm的Cu包套管中，获得Cu/Nb-Al复合体。利用室温静液挤压方法，将Cu/Nb-Al复合体挤出成对边距为6.80mm的Nb-Al单芯棒。将该棒材表面Cu包套管用硝酸腐蚀去除后，切成若干根长度为200mm的棒材，从而获得对边距为6.0mm、长度200mm的单芯棒。
步骤2，装管密封
将364根步骤1获得的Nb-Al单芯棒装入外径200.0mm，壁厚10.0mm的Cu包套管中，并在边缘空隙处填入异型Nb插棒，然后进行真空电子束焊接密封，制作成Cu/Nb-Al复合包套。
步骤3，塑性加工
将步骤2得到的364芯Cu/Nb-Al复合线材采用辊模拉拔的方法，以单道次10％的加工率，将其加工成直径2.40mm的多芯复合线材。
步骤4，腐蚀去Cu
将步骤3中获得的直径2.40mm Nb3Al超导线材前驱体，放置在硝酸中，待表面Cu包套管完全腐蚀后，即获得直径为2.0mm的多芯Nb3Al前驱体线材。
取本实施例中线材的一段进行高温急热急冷(RHQ)和成相热处理后，对所获得的Nb3Al线材进行超导性能测试，其超导转变温度达到17.7K，临界电流密度Jc在4.2K、15T下，达到712A/mm2；交流损耗值Qh(4.2K，3T)为87mJ/cm3。
实施例4
步骤1，制作Nb-Al单芯棒
取宽度为300mm的Cu箔、Nb箔和Al箔，其中Cu箔和Nb箔厚度为0.03mm，Al箔厚度为0.01mm。将Nb箔和Al箔叠加后卷绕在直径5.0mm的Nb棒上至直径为15mm，然后分别缠绕10层Cu箔和Nb箔，装入内径19.0mm、壁厚1.5mm的Cu包套管中，获得Cu/Nb-Al复合体。利用室温静液挤压方法，将Cu/Nb-Al复合体挤出成对边距为12.0mm的Nb-Al单芯棒。将该棒材表面Cu包套管用硝酸腐蚀去除后，切成若干根长度为350mm的棒材，从而获得对边距为10.0mm、长度200mm的单芯棒。
步骤2，装管密封
将121根步骤1获得的Nb-Al单芯棒装入外径200.0mm，壁厚10.0mm的Cu包套管中，并在边缘空隙处填入异型Nb插棒，然后进行真空电子束焊接密封，制作成Cu/Nb-Al复合包套。
步骤3，塑性加工
将步骤2得到的121芯Cu/Nb-Al复合线材采用辊模拉拔的方法，以单道次10％的加工率，将其加工成直径2.0mm的多芯复合线材。
步骤4，腐蚀去Cu
将步骤3中获得的直径2.0mm Nb3Al超导线材前驱体，放置在硝酸中，待表面Cu包套管完全腐蚀后，即获得直径为1.80mm的多芯Nb3Al前驱体线材。
取本实施例中线材的一段进行高温急热急冷(RHQ)和成相热处理后，对所获得的Nb3Al线材进行超导性能测试，其超导转变温度达到18.5K，临界电流密度Jc在4.2K、15T下，达到792A/mm2；交流损耗值Qh(4.2K，3T)为121mJ/cm3。

Claims (1)

1.一种铌三铝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，制作Nb-Al单芯棒：
将Nb箔和Al箔叠加后卷绕在Nb棒上，然后卷上Cu箔，再卷上Nb箔，最后装入Cu管，制成含Cu阻隔层的Cu/Nb-Al复合体；利用静液挤压方法将该复合体挤出成正六方形单芯棒；将单芯棒置于酸液中将表面Cu管腐蚀去除，获得含Cu阻隔层的Nb-Al单芯棒；其中，Cu箔、Nb箔和Al箔宽度为100～300mm，Nb箔和Cu箔厚度为0.03～0.3mm，Al箔厚度为Nb箔的1/3；Nb-Al箔卷绕在Nb棒上后卷绕的Cu箔为1～10层，最后卷绕的Nb箔为1～10层；Nb-Al卷绕在Nb棒上的厚度与Nb棒直径的比值为1～2；获得Nb-Al单芯棒对边距为1.0～10.0mm；
步骤2，装管密封：
将若干根步骤1获得的Nb-Al六方单芯棒装入到Cu包套管中，并在边缘空隙处插入Nb棒，然后将Cu包套管进行真空电子束焊接密封，制作成Cu/Nb-Al多芯复合包套；其中，Cu包套管内径为10～200mm；
步骤3，塑性加工：
采用静液挤压方法，将步骤2中制得的Cu/Nb-Al多芯复合包套挤压成棒材，然后采用拉拔或辊轧的方法将其加工成线材；
步骤4，腐蚀去Cu：
将步骤3中获得的Cu/Nb-Al多芯复合线材置于酸液中，将其表面Cu包套管腐蚀去除，即获得Nb3Al超导线材前驱体；其中，Nb3Al超导线材前驱体直径为1.50～2.0mm。
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