CN110970171A - 一种提高NbTi超导线材RRR值和屈服强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超导材料加工技术领域，涉及一种提高NbTi超导线材RRR值和屈服强度的方法。根据线材裸线尺寸的要求确定嵌入式NbTi超导线材规格，根据铜超比和嵌入式NbTi超导线材规格制备NbTi/Cu超导圆线和U型铜槽线。由于复合结构的超导线材RRR值与铜槽线和圆线的热处理状态均相关，而屈服强度仅与铜槽线热处理状态相关，因此先将制备的NbTi/Cu超导圆线退火，退火前圆线需复绕至带孔铁线轮，再与U型铜槽线浸入锡槽完成镶嵌焊接，获得高RRR值嵌入式NbTi超导线材，再通过调整镶嵌焊接温度合理分配RRR值和屈服强度余量，从而获得高RRR值高屈服强度的MRI用NbTi超导线材。

Description

一种提高NbTi超导线材RRR值和屈服强度的方法
技术领域
本发明属于超导材料加工技术领域，涉及NbTi超导线材的制备方法，具体涉及一种提高NbTi超导线材RRR值和屈服强度的方法。
背景技术
磁共振成像(MRI)是重要的现代医学影像诊疗手段，其核心和基础是NbTi超导线材，其中Wire in channel(WIC)超导线材因具有高铜超比、低的铜加工率等优点，使其加工成本低且制备的磁体运行稳定、安全，故成为制备磁共振成像系统(MRI)关键部件-超导磁体的主导材料。
在WIC超导线材中，在镶嵌用NbTi/Cu圆线的外部，心部及NbTi芯丝周围均包有铜，圆线外部还有铜槽线，这些铜在超导体中起着稳定作用。当超导体在使用过程中局部失超时会产生大量热量，而铜的高导热性还可以使产生的热量迅速向周围的液氦散失，从而使超导体温度重新降至临界温度以下，恢复超导态。
一般借助WIC线材中RRR值的大小评价其对超导体的稳定效果，RRR值越高，稳定性越好，RRR值即WIV线材中铜的室温电阻与低温电阻的比。此外，MRI磁体充电时，由于其高电流密度，超导线材还将承受很大的电磁力，因此MRI磁体要求超导线材具有高的屈服强度，防止MRI磁体在使用过程中超导线材发生断裂。目前市场中3T磁体用WIC线材需求量逐渐增大，由于Ic性能较高的原因，使客户对WIC线材的RRR值和屈服强度同时提出更高要求，但是两个性能相互制约。因此，研究同时提高MRI用NbTi超导线材RRR值和屈服强度对于获得更高磁场的MRI超导磁体至关重要。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种提高NbTi超导线材RRR值和屈服强度的方法，利用将NbTi/Cu超导圆线退火之后再和U型铜槽线进行无铅镶嵌焊接的方法，解决了传统嵌入式NbTi超导线材RRR值和屈服强度相互制约不能突破的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种提高NbTi超导线材RRR值和屈服强度的方法，具体包括以下步骤：
1)根据线材裸线尺寸的要求确定嵌入式NbTi超导线材规格；
2)根据线材铜超比和嵌入式NbTi超导线材规格制备NbTi/Cu超导圆线和U型铜槽线；
3)将步骤2)制备的NbTi/Cu超导圆线进行退火；
4)将步骤2)制备的U型铜槽线和未退火的NbTi/Cu超导圆线浸入锡槽，选择合适的镶嵌焊接温度进行镶嵌焊接得到NbTi-1超导线材，并完成对NbTi-1超导线材的RRR值和屈服强度的测试；
5)将步骤2)制备的U型铜槽线和退火后的NbTi/Cu超导圆线浸入锡槽，选择合适的镶嵌焊接温度进行镶嵌焊接得到NbTi-2超导线材，并完成对NbTi-2超导线材的RRR值和屈服强度的测试；
6)将步骤2)制备的U型铜槽线和退火后的圆线浸入锡槽，调整镶嵌焊接温度合理分配RRR值和屈服强度余量，并进行无铅镶嵌焊接，获得高RRR值和高屈服强度的NbTi超导线材。
进一步地，步骤2)中线材的铜超比为5～7。
进一步地，步骤2)中NbTi/Cu超导圆线的铜超比为1～2，直径为0.5～2mm。
进一步地，步骤2)中U型铜槽线宽为1～5mm，高度为1～3mm，槽宽为0.5～2mm。
进一步地，步骤3)中的退火温度为300～400℃，退火时间为1～3h。
进一步地，步骤3)中退火前NbTi/Cu超导圆线需要复绕至带孔铁线轮。
进一步地，步骤4)、步骤5)中的焊料温度均为230～450℃，拉伸速度范围均为10～80m/min。
进一步地，步骤3)和步骤4)的顺序可以互换。
进一步地，步骤4)和步骤5)的顺序可以互换。
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：通过将U型铜槽线和退火后的NbTi/Cu超导圆线浸入锡槽，通过调整镶嵌焊接温度合理分配RRR值和屈服强度余量并进行无铅镶嵌焊接获得高RRR值和屈服强度的MRI用NbTi超导线材，解决了传统嵌入式NbTi超导线材RRR值和屈服强度相互制约的问题。
附图说明
图1为本发明提供的NbTi/Cu超导圆线截面图；
图2为本发明提供的U型铜槽线截面图；
图3为本发明提供的嵌入式NbTi/Cu超导线材截面图；
图4为本发明提供的嵌入式NbTi/Cu超导线材的拉伸曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
本发明利用圆线退火提高WIC超导线材高RRR值和屈服强度的原理如下：对于结构单一的金属线材，RRR值和屈服强度相互制约。复合结构，即铜槽线与圆线嵌套结构的WIC超导线材拉伸曲线为两个弹性阶段，拉伸曲线如附图4，由于外部铜槽线优先变形，通常取第一弹性阶段获得屈服强度，仅与铜槽线热处理状态直接相关；而RRR值是圆线和铜槽线电阻并联计算结果，参见如下公式：
Figure BDA0002272345260000041
其中，常温电阻(300K)仅与原材料铜相关，而低温电阻(10K)对应力非常敏感，与铜槽线和圆线的热处理状态都相关。因此，在相同镶嵌焊接温度下，增加圆线退火完成镶嵌焊接获得的WIC超导线材RRR增大而屈服强度基本不变，选择合适的镶嵌温度，重新分配RRR值和屈服强度即可获得高RRR值高屈服强度WIC线材。
对此，本发明提供了一种提高NbTi超导线材RRR值和屈服强度的方法，具体包括以下步骤：
1)根据线材裸线尺寸的要求确定嵌入式NbTi超导线材规格；
2)根据线材铜超比和嵌入式NbTi超导线材规格制备NbTi/Cu超导圆线和U型铜槽线；
3)将步骤2)制备的NbTi/Cu超导圆线进行退火；
4)将步骤2)制备的U型铜槽线和未退火的NbTi/Cu超导圆线浸入锡槽，选择合适的镶嵌焊接温度并进行镶嵌焊接得到NbTi-1超导线材，并完成对NbTi-1超导线材的RRR值和屈服强度测试；
5)将步骤2)制备的U型铜槽线和退火后的NbTi/Cu超导圆线浸入锡槽，选择合适的镶嵌焊接温度并进行镶嵌焊接得到NbTi-2超导线材，并完成对NbTi-2超导线材的RRR值和屈服强度测试；
6)结合步骤4)和5)的测试结果，将步骤2)制备的U型铜槽线和退火后的圆线浸入锡槽，调整镶嵌焊接温度合理分配RRR值和屈服强度余量，并进行无铅镶嵌焊接，获得高RRR值和高屈服强度的NbTi超导线材。
进一步地，所述步骤2)中线材的铜超比为5～7。
进一步地，所述步骤2)中NbTi/Cu超导圆线的铜超比为1～2，直径为0.5～2mm，其截面图参见图1。
进一步地，所述步骤2)中U型铜槽线宽为1～5mm，高度为1～3mm，槽宽为0.5～2mm，其截面图参见图2。
进一步地，所述步骤3)中的退火温度为300～400℃，退火时间为1～3h。
进一步地，所述步骤3)中退火前NbTi/Cu超导圆线需要复绕至带孔铁线轮。
进一步地，所述步骤4)、步骤5)中的焊料温度均为230～450℃，拉伸速度范围均为10～80m/min。
实施例2
本发明还提供了一种提高NbTi超导线材RRR值和屈服强度的方法，具体包括以下步骤：
1)根据线材裸线尺寸2.40×1.60的要求确定嵌入式NbTi超导线材规格也为2.40×1.60；
2)根据线材铜超比5设计并制备NbTi圆线和铜槽线，其中，NbTi超导线材圆线的铜超比(铜和超导材料的横截面积比)为1.1，直径1.30mm，芯数为55芯；铜槽线宽为2.55mm，高1.77mm，槽宽1.33mm；
3)将步骤2)制备的圆线在温度为400℃的条件下退火2h；
4)采用传统镶嵌焊接工艺将未退火的NbTi/Cu超导圆线和铜槽线进行在线镶嵌焊接，焊料温度为340℃，镶嵌线材RRR值为212(技术要求大于175，余量充足)，0.2％屈服强度为181MPa(技术要求大于180MPa，无余量)；
5)将退火后的NbTi/Cu超导圆线和铜槽线进行在线镶嵌焊接，焊料温度为340℃，镶嵌线材RRR值为239(技术要求大于175，余量非常大)，0.2％屈服强度为182MPa(技术要求大于140MPa，无余量)；
6)结合步骤4)和5)的测试结果，将焊料温度降低至330℃重新分配RRR值和0.2％屈服强度后，镶嵌线材RRR值为216(技术要求大于175，余量充足)，0.2％屈服强度为218MPa(技术要求大于180MPa，余量充足)，即可获得高RRR值高屈服强度NbTi超导线材，参见图3。
实施例3
本发明又提供了一种提高NbTi超导线材RRR值和屈服强度的方法，具体包括以下步骤：
1)根据线材裸线尺寸1.70×1.20的要求确定嵌入式NbTi超导线材规格也为1.70×1.20；
2)根据线材铜超比7设计出并制备NbTi圆线和铜槽，其中，NbTi超导线材圆线的铜超比为1.1，直径0.8mm，芯数为55芯，铜槽线宽为1.83mm，高1.33mm，槽宽0.83mm；
4)将步骤3制备的圆线在400℃*2h条件下退火；
5)采用传统镶嵌焊接工艺将NbTi/Cu超导未退火圆线和铜槽线进行在线镶嵌焊接，焊料温度为350℃，镶嵌线材RRR值为169(技术要求大于175，不满足要求)，0.2％屈服强度为207MPa(技术要求大于140MPa，余量非常大)；
6)将NbTi/Cu超导退火圆线和铜槽线通过进行在线镶嵌焊接，焊料温度为350℃，镶嵌线材RRR值为183(技术要求大于175，余量较小)，0.2％屈服强度为202MPa(技术要求大于140MPa，余量非常大)；
7)将焊料温度增加至370℃重新分配RRR值和0.2％屈服强度后，镶嵌线材RRR值为201(技术要求大于175，余量充足)，0.2％屈服强度为185MPa(技术要求大于140MPa，余量充足)，获得高RRR值高屈服强度NbTi超导线材。
综上，本发明提供的提高NbTi超导线材RRR值和屈服强度的方法，通过将U型铜槽线和退火后的NbTi/Cu超导圆线浸入锡槽，通过调整镶嵌焊接温度合理分配RRR值和屈服强度余量并进行无铅镶嵌焊接获得高RRR值和屈服强度的MRI用NbTi超导线材，解决了传统嵌入式NbTi超导线材RRR值和屈服强度相互制约的问题。
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 (9)

1.一种提高NbTi超导线材RRR值和屈服强度的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)根据线材裸线尺寸的要求确定嵌入式NbTi超导线材规格；
2)根据线材铜超比和嵌入式NbTi超导线材规格制备NbTi/Cu超导圆线和U型铜槽线；
3)将步骤2)制备的NbTi/Cu超导圆线进行退火；
4)将步骤2)制备的U型铜槽线和未退火的NbTi/Cu超导圆线浸入锡槽，选择合适的镶嵌焊接温度并进行镶嵌焊接得到NbTi-1超导线材，并完成对NbTi-1超导线材的RRR值和屈服强度测试；
5)将步骤2)制备的U型铜槽线和退火后的NbTi/Cu超导圆线浸入锡槽，选择合适的镶嵌焊接温度并进行镶嵌焊接得到NbTi-2超导线材，并完成对NbTi-2超导线材的RRR值和屈服强度测试；
6)结合步骤4)和5)的测试结果，将步骤2)制备的U型铜槽线和退火后的圆线浸入锡槽，调整镶嵌焊接温度合理分配RRR值和屈服强度余量，并进行无铅镶嵌焊接，获得高RRR值和高屈服强度的NbTi超导线材。
2.根据权利要求1所述的提高NbTi超导线材RRR值和屈服强度的方法，其特征在于，所述步骤2)中线材的铜超比为5～7。
3.根据权利要求1所述的提高NbTi超导线材RRR值和屈服强度的方法，其特征在于，所述步骤2)中NbTi/Cu超导圆线的铜超比为1～2，直径为0.5～2mm。
4.根据权利要求1所述的提高NbTi超导线材RRR值和屈服强度的方法，其特征在于，所述步骤2)中U型铜槽线宽为1～5mm，高度为1～3mm，槽宽为0.5～2mm。
5.根据权利要求1所述的提高NbTi超导线材RRR值和屈服强度的方法，其特征在于，所述步骤3)中的退火温度为300～400℃，退火时间为1～3h。
6.根据权利要求1所述的提高NbTi超导线材RRR值和屈服强度的方法，其特征在于，所述步骤3)中退火前NbTi/Cu超导圆线需要复绕至带孔铁线轮。
7.根据权利要求1所述的提高NbTi超导线材RRR值和屈服强度的方法，其特征在于，所述步骤4)、步骤5)中的焊料温度均为230～450℃，拉伸速度范围均为10～80m/min。
8.根据权利要求1所述的提高NbTi超导线材RRR值和屈服强度的方法，其特征在于，所述步骤3)和步骤4)的顺序可以互换。
9.根据权利要求1所述的提高NbTi超导线材RRR值和屈服强度的方法，其特征在于，所述步骤4)和步骤5)的顺序可以互换。
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