CN107346683A - 一种高临界电流密度Nb3Sn超导线材用CuNb复合棒的制备方法 - Google Patents

一种高临界电流密度Nb3Sn超导线材用CuNb复合棒的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高临界电流密度Nb3Sn超导线材用CuNb复合棒的制备方法，通过在初始晶粒尺寸细小、均匀的Nb棒表面电镀一定厚度的Cu层，经过组装、焊接、挤压得到CuNb复合棒，简化了CuNb单芯棒的制备流程，避免了由于Nb锭初始晶粒尺寸粗大，挤压后组织不均匀，导致超导线材后续加工过程中拉伸断线、断芯的问题。同时由于采用表面电镀方法，更加准确的控制了CuNb单芯棒中的Cu/Nb原子比，可以有效的、精确控制CuNb复合棒中的Nb含量；同时可以有效减小Nb棒尺寸，减小初始包套尺寸；便于提高CuNb复合包套中的Nb芯丝数，提高导线长线加工率；同时采用直接组装CuNb复合包套，提高了效率，降低了加工过程的质量风险。

Description

一种高临界电流密度Nb3Sn超导线材用CuNb复合棒的制备方法
技术领域
本发明属于超导材料加工领域，具体涉及一种高临界电流密度Nb3Sn超导线材用CuNb复合棒的制备方法。
背景技术
高临界电流密度Nb3Sn超导线材是制造大型粒子加速器的重要材料，目前国际上在各个科学工程中批量交付使用的高临界电流密度Nb3Sn超导线材的Jc在12T，4.2K条件下可以达到2500A/mm2以上，而未来对性能要求甚至在2500A/mm2以上。如何获得稳定的、高性能的高临界电流密度Nb3Sn长线制备技术和批量化生产能力，是制造大型加速器需要解决的重要基础材料问题之一。
影响Nb3Sn超导线材临界电流密度的主要因素是其超导相含量以及晶界钉扎中心的密度，为了提高Nb3Sn超导线材的载流能力，需要大幅提高线材中的Nb、Sn含量以获得高的Nb3Sn超导相的体积分数。通常可将Nb锭装入Cu包套中焊接、挤压、拉伸得到CuNb单芯棒，再通过组装、焊接、挤压、拉拔等一系列工序得到高Nb含量的CuNb复合棒。但是由于Nb锭初始晶粒尺寸较大，在后续加工过程中难以均匀破碎，导致超导线材拉伸过程中断线和断芯等情况发生，一方面降低了线材加工的成品率，另一方面制约着超导线材载流能力的提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种解决了现有方法制得的CuNb复合棒中Nb含量较低，芯丝尺寸较大，导致组装困难，长线加工成品率低，从而导致超导线材性能偏低问题的高临界电流密度Nb3Sn超导线材用CuNb复合棒的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
步骤1：首先，取若干根长度相等的Nb棒并去除表面油污和杂质，然后在其表面电镀Cu箔层得到CuNb单芯棒；
步骤2：将步骤1)的CuNb单芯棒按六方排布堆垛装入无氧铜包套中，中心区域摆放与CuNb单芯棒规格相同的无氧铜棒，两端加上铜盖用电子束封焊，得到多芯CuNb复合包套；
步骤3：将步骤2)得到的多芯CuNb复合包套加热至550℃-650℃，保温1～4小时后挤压得到CuNb复合棒。
所述步骤1)Nb棒为圆形或六方形，圆形Nb棒直径或六方形Nb棒对边长度为1.5～15mm。
所述步骤1)采用酸洗去除表面油污和杂质。
所述步骤1)电镀Cu箔层厚度为0.001～0.2mm，电镀完后CuNb单芯棒的Cu/Nb小于等于0.1。
所述步骤2)无氧铜包套直径为Φ80-300mm。
所述步骤2)摆放的CuNb单芯棒与无氧铜棒的数量比为1：0.8-1.5。
本发明通过在初始晶粒尺寸细小、均匀的Nb棒表面电镀Cu层，经过组装、焊接、挤压得到CuNb复合棒，简化了CuNb单芯棒的制备流程，避免了由于Nb锭初始晶粒尺寸粗大，挤压后组织不均匀，导致超导线材后续加工过程中拉伸断线、断芯的问题。同时由于采用表面电镀方法，更加准确的控制了CuNb单芯棒中的Cu/Nb原子比，可以有效的、精确控制CuNb复合棒中的Nb含量；同时可以有效减小Nb棒尺寸，减小初始包套尺寸；便于提高CuNb复合包套中的Nb芯丝数，提高导线长线加工率；同时采用直接组装CuNb复合包套，提高了效率，降低了加工过程的质量风险。
附图说明
图1是本发明CuNb单芯棒截面示意图，其中图1a为圆形结构的CuNb单芯棒，图1b为六方形结构的CuNb单芯棒；
图2是本发明六方形结构CuNb复合包套的截面示意图；
图3是本发明圆形结构CuNb复合包套的截面示意图；
图4是表面电镀Cu后六方形结构的CuNb单芯棒组装局部放大图；
图5是表面电镀Cu后圆形结构CuNb单芯棒组装局部放大图；
图6是不同Cu/Nb比条件下对应Nb棒尺寸表面铜箔厚度(R指单芯棒横截面的Cu/Nb面积比；
图7是CuNb复合棒截面非铜区域示意图；
图8为依照本发明CuNb复合棒随着单芯棒Cu/Nb比下降Nb含量增加的曲线图。
图中，1为铜箔层，2为Nb棒，3为CuNb单芯棒，4为无氧铜棒，5为无氧铜包套。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
步骤1：首先，参见图1b，取对边长度为4mm的六方形的Nb棒2，然后酸洗去除表面油污和杂质，并在其表面电镀厚度为0.05mm的Cu箔层1得到Cu/Nb为0.05的CuNb单芯棒3；
步骤2：参见图2，图4，将步骤1)的CuNb单芯棒3按六方排布堆垛装入直径Φ150mm的无氧铜包套5中，中心区域摆放与CuNb单芯棒3规格相同的无氧铜棒4，uNb单芯棒3与无氧铜棒4的数量比为1：0.8，两端加上铜盖用电子束封焊，得到多芯CuNb复合包套；
步骤3：将步骤2)得到的多芯CuNb复合包套加热至580℃，保温2小时后挤压得到CuNb复合棒。
实施例2：
步骤1：参见图1b，首先，取直径为9mm的圆形Nb棒2，然后酸洗去除表面油污和杂质，并在其表面电镀厚度为0.09mm的Cu箔层1得到Cu/Nb等于0.05的CuNb单芯棒3；
步骤2：参见图3，图5，将步骤1)的CuNb单芯棒3按六方排布堆垛装入直径Φ300mm的无氧铜包套5中，中心区域摆放与CuNb单芯棒3规格相同的无氧铜棒4，uNb单芯棒3与无氧铜棒4的数量比为1：1.0，两端加上铜盖用电子束封焊，得到多芯CuNb复合包套；
步骤3：将步骤2)得到的多芯CuNb复合包套加热至650℃，保温1小时后挤压得到CuNb复合棒。
实施例3：
步骤1：首先，取对边长度为14mm的六方形的Nb棒2，然后酸洗去除表面油污和杂质，并在其表面电镀厚度为0.14mm的Cu箔层1得到Cu/Nb小于等于0.04的CuNb单芯棒3；
步骤2：将步骤1)的CuNb单芯棒3按六方排布堆垛装入直径Φ270mm的无氧铜包套5中，中心区域摆放与CuNb单芯棒3规格相同的无氧铜棒4，uNb单芯棒3与无氧铜棒4的数量比为1：1.5，两端加上铜盖用电子束封焊，得到多芯CuNb复合包套；
步骤3：将步骤2)得到的多芯CuNb复合包套加热至550℃，保温4小时后挤压得到CuNb复合棒。
实施例4：
步骤1：首先，取对边长度为1.5mm的六方形的Nb棒2，然后酸洗去除表面油污和杂质，并在其表面电镀厚度为0.001mm的Cu箔层1得到Cu/Nb等于0.1的CuNb单芯棒3；
步骤2：参见图图7，将步骤1)的CuNb单芯棒3按六方排布堆垛装入直径Φ300mm的无氧铜包套5中，中心区域摆放与CuNb单芯棒3规格相同的无氧铜棒4，uNb单芯棒3与无氧铜棒4的数量比为1：1.2，两端加上铜盖用电子束封焊，得到多芯CuNb复合包套；
步骤3：将步骤2)得到的多芯CuNb复合包套加热至620℃，保温3小时后挤压得到CuNb复合棒。
按图7的排布方式，由图6可以看出降低单芯棒Cu/Nb比，复合棒中的Nb含量随着Cu/Nb比的降低从42％增加到58％，表明通过该种方法，可以有效降低CuNb单芯棒中的Cu/Nb比，由图8可以看出同时也会提高复合棒中的Nb含量。

Claims (6)

1.一种高临界电流密度Nb3Sn超导线材用CuNb复合棒的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：首先，取若干根长度相等的Nb棒(2)并去除表面油污和杂质，然后在其表面电镀Cu箔层(1)得到CuNb单芯棒(3)；
步骤2：将步骤1)的CuNb单芯棒(3)按六方排布堆垛装入无氧铜包套(5)中，中心区域摆放与CuNb单芯棒(3)规格相同的无氧铜棒(4)，两端加上铜盖用电子束封焊，得到多芯CuNb复合包套；
步骤3：将步骤2)得到的多芯CuNb复合包套加热至550℃-650℃，保温1～4小时后挤压得到CuNb复合棒。
2.如权利要求1所述的高临界电流密度Nb3Sn超导线材用CuNb复合棒的制备方法，其特征在于，所述步骤1)Nb棒(2)为圆形或六方形，圆形Nb棒直径或六方形Nb棒对边长度为1.5～15mm。
3.如权利要求1所述的高临界电流密度Nb3Sn超导线材用CuNb复合棒的制备方法，其特征在于，所述步骤1)采用酸洗去除表面油污和杂质。
4.如权利要求1所述的高临界电流密度Nb3Sn超导线材用CuNb复合棒的制备方法，其特征在于，所述步骤1)电镀Cu箔层(1)厚度为0.001～0.2mm，电镀完后CuNb单芯棒(3)的Cu/Nb小于等于0.1。
5.如权利要求1所述的高临界电流密度Nb3Sn超导线材用CuNb复合棒的制备方法，其特征在于，所述步骤2)无氧铜包套(5)直径为Φ80-300mm。
6.如权利要求1所述的高临界电流密度Nb3Sn超导线材用CuNb复合棒的制备方法，其特征在于，所述步骤2)摆放的CuNb单芯棒(3)与无氧铜棒(4)的数量比为1：0.8-1.5。
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