CN110391048B - 一种Nb3Sn前驱体线材的制备方法 - Google Patents

一种Nb3Sn前驱体线材的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于超导材料加工技术领域，涉及一种Nb3Sn前驱体线材的制备方法，包括：制备铜锭；在铜锭的中心钻第二通孔；将清洗干净的Nb棒插入铜锭的第一通孔中；将清洗干净的Sn合金棒插入铜锭的第二通孔中，两端加上铜盖并用电子束焊封，得到Cu/Nb‑Sn多芯包套；将Cu/Nb‑Sn多芯包套进行静液挤压，将挤压得到的坯料拉拔后定尺切断得到Cu/Nb‑Sn亚组元；将Cu/Nb‑Sn亚组元集束装入清洗后的无氧铜管中，得到Nb3Sn最终坯料；将Nb3Sn最终坯料进行多次拉伸，得到Nb3Sn前驱体超导线材。该方法制备的Nb3Sn线材，在不改变线材结构的情况下，其各项性能指标与常规方法制得线材的各项性能指标相当。

Description

一种Nb3Sn前驱体线材的制备方法
技术领域
本发明属于超导材料加工技术领域，涉及一种Nb3Sn前驱体线材的制备方法。
背景技术
铌三锡(Nb3Sn)低温超导材料是目前10T以上高场超导磁体应用最主要的材料之一，已在高能粒子加速器、核磁共振谱仪(NMR)、以及磁约束核聚变(ITER)等较多领域有广泛的应用。目前国内外常用的 Nb3Sn超导线材制备方法主要分为内锡法和青铜法两种。而前者由于能提供足够的Sn源，加工周期短，制造成本低，同时所制备出的超导线材临界电流密度较高，在高磁场下能承载更大的临界磁场，因此，该方法制备的线材是目前高场用超导磁体的主要选择。
目前国际上普遍的内锡法Nb3Sn线材制备主要采用三次复合的方法，即：第一次复合是将Nb棒与铜管复合成单芯棒；第二次复合是通过热等静压和热挤压方法，将若干根Cu-Nb单芯棒复合，制作成多芯复合棒。随后将多芯复合棒中心钻孔，并插入锡棒；随后经过拉拔加工成 Cu/Nb-Sn亚组元；第三次复合是将若干根Cu/Nb-Sn亚组元装入Cu管中，然后通过拉拔、轧制等冷加工方法，制作成成品的Nb3Sn前驱体超导线材。由此可见，这种三次复合的加工方法，不仅制作周期较长，工艺流程复杂，造成超导线材成本较高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种Nb3Sn前驱体线材的制备方法，采用该方法制备的内锡法Nb3Sn线材，在不改变 Nb3Sn线材结构的情况下，其各项性能指标与常规方法制得的线材的各项性能指标相当；本发明提供的技术方案，线材制作周期节省降低一半，线材成本降低25％。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案包括以下内容：
一种Nb3Sn前驱体线材的制备方法，具体包括以下步骤：
1)制备铜锭，且铜锭上均匀分布有多个第一通孔；
2)在铜锭的中心钻第二通孔；
3)将清洗干净的Nb棒插入铜锭的第一通孔中；
4)将清洗干净的Sn合金棒插入铜锭的第二通孔中，两端加上铜盖并用电子束焊封，得到Cu/Nb-Sn多芯包套；
5)将Cu/Nb-Sn多芯包套进行室温静液挤压，将挤压得到的坯料拉拔后定尺切断得到Cu/Nb-Sn亚组元；
6)将Cu/Nb-Sn亚组元集束装入清洗后的无氧铜管中，得到Nb3Sn 最终坯料；
7)将Nb3Sn最终坯料进行多次拉伸，得到Nb3Sn前驱体超导线材。
进一步地，所述步骤1)制备多孔铜锭，具体包括如下步骤：
1.1)选取无氧铜锭作为坯锭；
1.2)采用深孔钻沿坯锭的圆周方向钻多层均匀分布的若干第一通孔，得到多孔铜锭。
进一步地，所述第一通孔的层数为3-5层，所述第一通孔的数量为100-250个，所述第一通孔的直径为5-8mm。
进一步地，所述无氧铜锭的直径为120-180mm，长度为300-500mm。
进一步地，所述Nb棒的直径与铜锭的第一通孔的直径相同。
进一步地，所述铜锭的第二通孔的直径为30-45mm，所述铜锭的第二通孔的直径与Sn合金棒的直径相同。
进一步地，所述步骤4)中的封焊电流为50-150mA，真空度≤100Pa。
进一步地，所述步骤5)，具体包括以下步骤：
5.1)将Cu/Nb-Sn多芯包套进行室温静液挤压，挤压比为4-6，得到直径为40-60mm的Cu/Nb-Sn多芯复合棒；
5.2)将Cu/Nb-Sn多芯复合棒拉伸至直径为5-20mm后定尺切断为 1000-3000mm的Cu/Nb-Sn亚组元。
进一步地，所述步骤7)中拉伸速度为5-30m/min，加工率为10-20％。
进一步地，所述Sn合金为Sn-2wt.％Ti或Sn-(1.5～1.7)wt.％Cu合金。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：通过静液挤压的方式，简化了传统的内锡法制备Nb3Sn的工艺，在不改变 Nb3Sn线材结构的情况下，其各项性能指标与常规方法制得的线材的各项性能指标相当；本发明提供的技术方案，既缩短了前驱体线材的加工周期，又降低了加工成本，具有良好的应用前景。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明Nb3Sn前驱体线材的制备方法中多孔铜锭的结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的方法的例子。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本发明提供的Nb3Sn前驱体线材的制备方法，具体包括以下步骤：
1)制备铜锭，且铜锭上均匀分布有多个第一通孔；
2)在铜锭的中心钻第二通孔；
3)将清洗干净的Nb棒插入铜锭的第一通孔中；
4)将清洗干净的Sn合金棒插入铜锭的第二通孔中，两端加上铜盖并用电子束焊封，得到Cu/Nb-Sn多芯包套；
5)将Cu/Nb-Sn多芯包套进行室温静液挤压，将挤压得到的坯料拉拔后定尺切断得到Cu/Nb-Sn亚组元；
6)将Cu/Nb-Sn亚组元集束装入清洗后的无氧铜管中，得到Nb3Sn 最终坯料；
7)将Nb3Sn最终坯料进行多次拉伸，得到Nb3Sn前驱体超导线材。
进一步地，所述步骤1)制备多孔铜锭，具体包括如下步骤：
1.1)选取无氧铜锭作为坯锭；
1.2)采用深孔钻沿坯锭的圆周方向钻多层均匀分布的若干第一通孔，得到多孔铜锭。
进一步地，所述第一通孔的层数为3-5层，所述第一通孔的数量为 100-250个，所述第一通孔的直径为5-8mm。
进一步地，所述无氧铜锭的直径为120-180mm，长度为300-500mm。
进一步地，所述Nb棒的直径与铜锭的第一通孔的直径相同。
进一步地，所述铜锭的第二通孔的直径为30-45mm，所述铜锭的第二通孔的直径与Sn合金棒的直径相同。
进一步地，所述步骤4)中的封焊电流为50-150mA，真空度≤100Pa。
进一步地，所述步骤5)，具体包括以下步骤：
5.1)将Cu/Nb-Sn多芯包套进行室温静液挤压，挤压比为4-6，得到直径为40-60mm的Cu/Nb-Sn多芯复合棒；
5.2)将Cu/Nb-Sn多芯复合棒拉伸至直径为5-20mm后定尺切断为 1000-3000mm的Cu/Nb-Sn亚组元。
进一步地，所述步骤7)中拉伸速度为5-30m/min，加工率为10-20％。
进一步地，所述Sn合金为Sn-2wt.％Ti或Sn-(1.5～1.7)wt.％Cu合金。
实施例2
本发明提供的Nb3Sn前驱体线材的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：选取直径为120mm，长度为300mm的无氧铜锭作为坯锭，采用深孔钻的方法沿坯锭长度方向钻3层均匀分布的共计100个直径为 5mm的第一通孔，得到多孔铜锭；
S2：在多孔铜锭的中心钻第二通孔并清洗干净，第二通孔的直径为 30mm；
S3：将清洗干净的Nb棒插入多孔铜锭的第一通孔中，Nb棒的直径与第一通孔的直径一致；
S4：将清洗干净直径为30mm的Sn-Ti合金棒插入多孔铜锭的第二通孔中，两端加上铜盖并用电子束焊封，封焊电流为50mA，真空度≤ 102Pa，得到Cu/Nb-Sn多芯包套；
S5：将Cu/Nb-Sn多芯包套进行室温静液挤压，挤压比为4，得到直径为40mm的Cu/Nb-Sn多芯复合棒；将多芯复合棒拉伸至直径为5mm 后定尺切断为1000mm的Cu/Nb-Sn亚组元；
S6：将清洗后的Cu/Nb-Sn亚组元集束装入清洗后的无氧铜管中，得到Nb3Sn最终坯料；
S7：将Nb3Sn最终坯料进行多次拉伸，拉伸速度为5m/min，加工率选择10％，即可制得Nb3Sn前驱体超导线材。
进一步地，所述Sn-Ti合金为Sn-2wt.％Ti。
实施例3
本发明提供的Nb3Sn前驱体线材的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：选取直径为160mm，长度为400mm的无氧铜锭作为坯锭，采用深孔钻的方法沿坯锭长度方向钻4层均匀分布的共计150个直径为 6mm的第一通孔，得到多孔铜锭；
S2：在多孔铜锭的中心钻第二通孔并清洗干净，第二通孔的直径为 40mm；
S3：将清洗干净的Nb棒插入多孔铜锭的第一通孔中，Nb棒的直径与第一通孔的直径一致；
S4：将清洗干净直径为40mm的Sn-Ti合金棒插入所述铜锭的第二通孔中，两端加上铜盖并用电子束焊封，封焊电流为100mA，真空度≤ 102Pa，得到Cu/Nb-Sn多芯包套；
S5：将Cu/Nb-Sn多芯包套进行室温静液挤压，挤压比为5，得到直径为50mm的Cu/Nb-Sn多芯复合棒；将多芯复合棒拉伸至直径为10mm 后定尺切断为1500mm的Cu/Nb-Sn亚组元；
S6：将清洗后的Cu/Nb-Sn亚组元集束装入清洗后的无氧铜管中，得到Nb3Sn最终坯料；
S7：将Nb3Sn最终坯料进行多次拉伸，拉伸速度为10m/min，加工率选择15％，即可制得Nb3Sn前驱体超导线材。
实施例4
本发明提供的Nb3Sn前驱体线材的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：选取直径为180mm，长度为500mm的无氧铜锭作为坯锭，采用深孔钻的方法沿坯锭长度方向钻5层均匀分布的共计250个直径为 8mm的第一通孔，得到多孔铜锭；
S2：在所述铜锭的中心钻第二通孔并清洗干净，第二通孔的直径为 45mm；
S3：将清洗干净的Nb棒插入多孔铜锭的第一通孔中，Nb棒的直径与第一通孔的直径一致；
S4：将清洗干净直径为45mm的Sn合金棒插入多孔铜锭的第二通孔中，两端加上铜盖并用电子束焊封，封焊电流为150mA，真空度≤ 102Pa，得到Cu/Nb-Sn多芯包套；
S5：将Cu/Nb-Sn多芯包套进行室温静液挤压，挤压比为6，得到直径为60mm的Cu/Nb-Sn多芯复合棒；将多芯复合棒拉伸至直径为20mm 后定尺切断为3000mm的Cu/Nb-Sn亚组元；
S6：将清洗后的Cu/Nb-Sn亚组元集束装入清洗后的无氧铜管中，得到Nb3Sn最终坯料；
S7：将Nb3Sn最终坯料进行多次拉伸，拉伸速度为20m/min，加工率选择20％，即可制得Nb3Sn前驱体超导线材.
进一步地，所述Sn合金为Sn-(1.5～1.7)wt.％Cu合金。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (4)

1.一种Nb3Sn前驱体线材的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)制备铜锭，且铜锭上均匀分布有多个第一通孔；其中，所述铜锭的制备方法包括：选取无氧铜锭作为坯锭，所述无氧铜锭的直径为120-180mm，长度介于300-500mm之间；采用深孔钻沿坯锭的圆周方向钻多层均匀分布的若干第一通孔，得到多孔铜锭；所述第一通孔的层数为3层，所述第一通孔的数量为100-250个，所述第一通孔的直径为5-8mm；
2)在铜锭的中心钻第二通孔，所述第二通孔的直径为30-45mm；
3)将清洗干净的Nb棒插入铜锭的第一通孔中；
4)将清洗干净的Sn合金棒插入铜锭的第二通孔中，两端加上铜盖并用电子束焊封，得到Cu/Nb-Sn多芯包套，其中，所述Sn合金为Sn-2wt.％Ti或Sn-(1.5～1.7)wt.％Cu合金，电子束焊封的封焊电流为50-150mA，真空度不大于102Pa；
5)将Cu/Nb-Sn多芯包套进行室温静液挤压，将挤压得到的坯料拉拔后定尺切断得到Cu/Nb-Sn亚组元；
6)将Cu/Nb-Sn亚组元集束装入清洗后的无氧铜管中，得到Nb3Sn最终坯料；
7)将Nb3Sn最终坯料进行多次拉伸，得到Nb3Sn前驱体线材。
2.根据权利要求1所述的Nb3Sn前驱体线材的制备方法，其特征在于，所述Nb棒的直径与铜锭的第一通孔的直径相同。
3.根据权利要求1所述的Nb3Sn前驱体线材的制备方法，其特征在于，所述步骤5)，具体包括以下步骤：
5.1)将Cu/Nb-Sn多芯包套进行室温静液挤压，挤压比为4-6，得到直径为40-60mm的Cu/Nb-Sn多芯复合棒；
5.2)将Cu/Nb-Sn多芯复合棒拉伸至直径为5-20mm后定尺切断为1000-3000mm的Cu/Nb-Sn亚组元。
4.根据权利要求1所述的Nb3Sn前驱体线材的制备方法，其特征在于，所述步骤7)中拉伸速度为5-30m/min，加工率为10-20％。
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