CN111029034A

CN111029034A - 一种NbTi/Cu单芯棒及其加工方法

Info

Publication number: CN111029034A
Application number: CN201911114521.9A
Authority: CN
Inventors: 王瑞龙; 郭强; 柳祥; 秦星; 刘建伟; 李建峰; 刘向宏; 冯勇; 张平祥
Original assignee: Western Superconducting Technologies Co Ltd
Current assignee: Western Superconducting Technologies Co Ltd
Priority date: 2019-11-14
Filing date: 2019-11-14
Publication date: 2020-04-17

Abstract

一种NbTi/Cu单芯棒，所述该单芯棒包括铜管、铜上盖、铜下盖、铌筒以及铌钛棒；铌筒位于铜管内，所述铌筒的外壁与铜管的内壁焊接；铌钛棒位于铌筒内；铌钛棒的外壁与铌筒内壁焊接；铜管的一端与铜上盖焊接，所述铜管的另一端与铜下盖焊接；铜管的外径为Φ150～Φ270mm、壁厚为8～20mm以及长度为400～900mm；铜上盖和铜下盖的长度分别为30～80mm；铌筒的外径为Φ130～Φ250mm，通过设计新的锭型，减小铜包套的厚度，从而降低复合线用单芯棒的铜比，解决了现有NbTi/Cu复合线铜比较高的问题，最终获得了极低铜比0.6、S/D(0.0452)、芯丝变形良好的高性能NbTi/Cu复合线。

Description

一种NbTi/Cu单芯棒及其加工方法

技术领域

本发明属于超导线材加工技术领域，涉及一种NbTi/Cu单芯棒及其加工方法

背景技术

随着超导技术的发展，NbTi/Cu超导线材已大规模应用在大科学装置(ITER)、磁共振成像系统(MRI)、磁控提拉单晶硅磁体(MCZ)等，超导线材的性能稳定是保证磁体正常运行的关键，其中NbTi/Cu超导线材包括Monolith和Wire in Channel(WIC)两种类型，Monolith超导线材主要采用钻孔法制备，而WIC超导线材主要采用组装法和穿管法加工。

NbTi/Cu超导复合线材是将不同规格和铜比的单芯棒通过一定的方式进行组装，然后再通过冷加工而成，在加工过程中，要严格控制线材的铜比，这是为了保证超导磁体在失超时，旁路可稳定输出热量，而铜比就是复合超导线材中铜和非铜的体积比。

近年来，随着磁体设备参数的变更，对NbTi/Cu超导复合线的性能也提出更高的要求，在超导线材设计规格不变的前提下为了获得高性能、极低铜比、芯丝变形良好的复合线材，首先必须要获得极低铜比的单芯棒，从而进一步降低复合线的铜比，这就要求复合线具有极低的S/D(芯丝间距/芯丝直径)，在最终成型过程中，芯丝之间相互聚拢，一方面在线材规格不变的前提下降低铜比可提高线材临界电流，同时可改善芯丝变形，获得芯丝分布均匀的高性能复合线材。

目前现有的NbTi/Cu超导复合线材在制备过程中NbTi/Cu复合线铜比较高，导致S/D较大，芯丝之间不能相互聚拢，线材临界电流低，进而导致芯丝变形差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中NbTi/Cu超导复合线材在制备过程中NbTi/Cu复合线铜比较高的问题，提供一种NbTi/Cu单芯棒及其加工方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种NbTi/Cu单芯棒，所述该单芯棒包括铜管、铜上盖、铜下盖、铌筒以及铌钛棒；

所述铌筒位于铜管内，所述铌筒的外壁与铜管的内壁焊接；

所述铌钛棒位于铌筒内，所述铌钛棒的外壁与铌筒内壁焊接；

所述铜管的一端与铜上盖焊接，所述铜管的另一端与铜下盖焊接；

所述铜管的外径为Φ150～Φ270mm、壁厚为8～20mm以及长度为400～900mm；

所述铜上盖和铜下盖的长度分别为30～80mm；

所述铌筒的外径为Φ130～Φ250mm。

进一步：所述铜上盖的底部设置有用于嵌入到铜管内的第一凸缘。

进一步：所述铜下盖的顶部设置有用于嵌入到铜管内的第二凸缘。

进一步：所述铜管的内壁与铌筒外壁之间的间隙设置在1～3mm；

所述铌筒的内壁与铌钛棒的外壁之间的间隙设置在1～3mm。

一种NbTi/Cu单芯棒的加工方法，所述该加工方法具体包括以下步骤：

S1：将铜管坯料加工成外径为Φ150～Φ270mm、壁厚为8～20mm、长度为400～900mm的铜管；

将铜棒坯料加工成外径为Φ150～Φ270mm、长度为30～80mm的铜上盖和铜下盖；

将厚度为1～2mm、长度为300～800mm的铌板在卷筒机上卷成外径为Φ130～Φ250mm的铌筒；

然后将铜管、铜上盖、铜下盖、铌筒以及铌钛棒进行酸洗；

S2：将S1中酸洗干净的铜管、铜上盖、铜下盖、铌筒以及铌钛棒进行组装形成NbTi/Cu单芯包套；

S3：将装配好的NbTi/Cu单芯包套进行真空电子束焊接，焊接完之后在NbTi/Cu单芯包套表面均匀的涂覆一层润滑剂；

S4：将S3中焊接好的NbTi/Cu单芯包套在挤压机上进行挤压，获得外径为Φ40～Φ150的NbTi/Cu挤压单芯棒；

S5：将S4中获得的NbTi/Cu挤压单芯棒经过多道次冷加工拉拔，NbTi/Cu挤压单芯棒拉拔至一定尺寸进行1～2次扒皮，每道次扒皮加工率控制在2～6％。

进一步：所述S3中真空电子束焊接时真空度控制在10-3～10-6mbar，焊接电流为50～150mA，聚焦电流为4000～7000mA，焊接速度为90～160°/min。

进一步：所述S4中NbTi/Cu单芯包套的挤压比为5～20，长径比为2～7，挤压温度在700～800℃，挤压速度为20～60mm/s。

进一步：所述S5中NbTi/Cu单芯棒的拉拔速度为10～20m/min，每道次拉拔加工率为10～30％，扒皮速度为5～15m/min。

本发明的有益效果：本发明提供一种NbTi/Cu单芯棒的加工方法，通过降低单芯棒的铜比获得极低S/D、芯丝变形良好的高性能NbTi/Cu复合线；

进一步：通过铜管的外径为Φ150～Φ270mm、壁厚为8～20mm以及长度为400～900mm，铜上盖和铜下盖的长度分别为30～80mm，铌筒的外径为Φ130～Φ250mm，铜管的加工厚度非常薄，因此要严格控制加工过程，首先将铜坯料采用车床将包套外径和内径粗加工至一定尺寸，然后将外径精加工至技术要求尺寸，最后将其转至镗床采用较慢的速度进行铜包套内径精加工，在加工过程中切记防止铜管变形，否则后续组装过程将无法实现，车床和镗床在夹持铜包套时力度一定要适中；

进一步：通过铜上盖的底部设置有用于嵌入到铜管内的第一凸缘，铜下盖的顶部设置有用于嵌入到铜管内的第二凸缘，铜上盖和铜下盖均采用嵌入式的方式，防止因子扣太薄，强度不够而引起组装铜管变形问题；

进一步：通过铜管的内壁与铌筒外壁之间的间隙设置在1～3mm，铌筒的内壁与铌钛棒的外壁之间的间隙设置在1～3mm，间隙太小会划伤铌板，间隙太大会造成包套挤压时偏心现象，同时由于铜管壁厚很薄、强度太小，装配时铜包套不允许反复颠倒，首先将铌钛棒放置在平整的地方，然后将铌筒套在铌钛棒表面，同时将铜包套轻轻的套在铌筒的外面；

进一步：NbTi/Cu单芯包套表面涂覆的润滑剂具有良好的润滑性，高温下不会与铜发生化学反应，挤压时减小铜包套与挤压筒之间的摩擦力。

附图说明

图1为本发明NbTi/Cu单芯包套的结构示意图；

图2为本发明NbTi/Cu单芯包套的截面示意图。

其中：1、铜上盖；11、第一凸缘；2、铜管；3、铜下盖；31、第二凸缘；4、铌筒；5、铌钛棒。

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

参见图1和图2，一种NbTi/Cu单芯棒，该单芯棒包括铜管2、铜上盖1、铜下盖3、铌筒4以及铌钛棒5。

铌筒4位于铜管2内，所述铌筒4的外壁与铜管2的内壁焊接。

铌钛棒5位于铌筒4内，所述铌钛棒5的外壁与铌筒4内壁焊接。

铜上盖1的底部开设有用于嵌入到铜管2内的第一凸缘11，铜下盖3的顶部开设有用于嵌入到铜管2内的第二凸缘31。

铜管2的一端与铜上盖1焊接，所述铜管2的另一端与铜下盖3焊接。

铜管2的外径为Φ150～Φ270mm、壁厚为8～20mm以及长度为400～900mm。

铜上盖1和铜下盖3的长度分别为30～80mm。

铌筒4的外径为Φ130～Φ250mm。

铜管2的内壁与铌筒4外壁之间的间隙设置在1～3mm。

铌筒4的内壁与铌钛棒5的外壁之间的间隙设置在1～3mm。

实施例2

S1：将铜管2坯料加工成外径为Φ150～Φ270mm、壁厚为8～20mm、长度为400～900mm的铜管2。

将铜棒坯料加工成外径为Φ150～Φ270mm、长度为30～80mm的铜上盖1和铜下盖3。

将厚度为1～2mm、长度为300～800mm的铌板在卷筒机上卷成外径为Φ130～Φ250mm的铌筒4。

然后将铜管2、铜上盖1、铜下盖3、铌筒4以及铌钛棒5进行酸洗。

S2：将S1中酸洗干净的铜管2、铜上盖1、铜下盖3、铌筒4以及铌钛棒5进行组装形成NbTi/Cu单芯包套，尽量保证装配间隙不要过大，否则会引起铌钛偏心现象。

S3：将装配好的NbTi/Cu单芯包套进行真空电子束焊接，焊接完之后在NbTi/Cu单芯包套表面均匀的涂覆一层润滑剂。

S31：真空电子束焊接时真空度控制在10-3～10-6mbar，焊接电流为50～150mA，聚焦电流为4000～7000mA，焊接速度为90～160°/min。

S4：将S3中焊接好的NbTi/Cu单芯包套在挤压机上进行挤压，获得外径为Φ40～Φ150的NbTi/Cu挤压单芯棒。

S41：NbTi/Cu单芯包套的挤压比为5～20，长径比为2～7，挤压温度在700～800℃，挤压速度为20～60mm/s。

S5：将S4中获得的NbTi/Cu挤压单芯棒经过多道次冷加工拉拔，NbTi/Cu挤压单芯棒拉拔至一定尺寸进行1～2次扒皮，每道次扒皮加工率控制在2～6％，严格控制扒皮道次，减少铜的浪费，最终获得极低铜比NbTi/Cu单芯棒。

S51：NbTi/Cu单芯棒的拉拔速度为10～20m/min，每道次拉拔加工率为10～30％，扒皮速度为5～15m/min。

实施例3

一种极低铜比NbTi/Cu单芯棒的加工方法，具体包括以下步骤：

S1：加工外径为Φ150～Φ270mm、壁厚为8～20mm、长度为400～900mm的铜包套，以及Φ150～Φ270mm、长度为30～80mm的铜上盖1和铜下盖3，卷绕厚度为1～2mm、长度为300～800mm的铌筒4，成型外径为Φ130～Φ250mm，然后将铜包套、铜上盖1、铜下盖3采用20～50％的硝酸水溶液进行酸洗，铌钛棒5和铌筒4酸洗采用10～40％的硝酸和氢氟酸混合水溶液酸洗。

S2：如图1和图2所示，首先将铌筒4套在铌钛棒5的表面，然后将铜管2轻轻的套在铌筒4外边，采用工装将铌钛棒5和铌筒4向上提拉10～20mm，最后将组装后的包套放平，将铜上盖1和铜下盖3嵌入铜包套两端，完成NbTi/Cu单芯包套组装。

S3：将组装好的NbTi/Cu单芯包套进行真空电子束焊接，焊接时真空度控制在10-3～10-6mbar，焊接电流为50～150mA，聚焦电流为4000～7000mA，焊接速度为90～160°/min，焊接完之后表面均匀的涂覆一层润滑剂。

S4：将NbTi/Cu单芯包套在挤压机上进行挤压，挤压温度在700～800℃，挤压速度为20～60mm/s。

S5：将NbTi/Cu单芯棒进行多道次冷拉拔加工，拉拔速度为10～20m/min，每道次拉拔加工率为10～30％，扒皮速度为5～15m/min，每道次扒皮加工率为2～6％，最终获得不同规格的低铜比NbTi/Cu单芯棒。

实施例4

将铜管2坯料精加工至外径为Φ217mm、壁厚为10.25mm、长度为829mm。

将铜棒坯料精加工至上盖厚度为45mm、下盖厚度为40mm。

铜上盖1和铜下盖3嵌入筒体中的第一凸缘11和第二凸缘31均为10mm。

将铌板卷绕成外径为Φ200mm的铌筒4，将铜管2、铜上盖1、铜下盖3采用20～50％的硝酸水溶液进行酸洗。

铌钛棒5和铌筒4酸洗采用10～40％的硝酸和氢氟酸混合水溶液酸洗，将酸洗之后的铌筒4套在铌钛棒5的表面，然后将铜管2轻轻的套在铌筒4外边，采用工装将铌钛棒5和铌筒4向上提拉10mm，将组装后的包套放平，同时将铜上盖1和铜下盖3嵌入铜管2两端。

将组装好的NbTi/Cu单芯包套进行真空电子束焊接，焊接电流为100mA，焊接速度为100°/min，重复焊接两到三次，焊接完之后表面均匀的涂覆一层润滑剂。

将焊接完之后的NbTi/Cu单芯包套在挤压机上进行挤压，挤压温度为700℃、挤压速度为30mm/s，得到NbTi/Cu单芯棒。

然后将单芯棒进行多道次冷拉拔加工，拉拔速度为15m/min，每道次拉拔加工率为20％，NbTi/Cu单芯棒在扒皮之前设计铜比为0.22，此时铜皮厚度仅3mm。

将NbTi/Cu单芯棒从Φ58.18mm扒皮至Φ57.74mm，扒皮一次即可达到设计铜比0.2的要求，扒皮单边厚度为0.22mm，最后将NbTi/Cu单芯棒成型拉伸至H19.6mm，并对其定尺切断，获得H19.6mm、长度为555mm、铜比为0.2的极低铜比NbTi/Cu单芯棒若干。

将55支低铜比单芯棒采用组装法进行二次复合线组装，经过冷拉拔加工和5次时效热处理，最终获得了55芯、Φ0.5mm、铜比0.6的极低铜比NbTi/Cu复合线，复合线芯丝变形良好，S/D仅0.0452，Jc(4.2K，5T)高达3100A/mm2。

采用极低铜比NbTi/Cu单芯棒的加工方法相比采用常规设计的加工方法，一方面可以获得极低S/D、芯丝变形良好的高性能复合线材，再者采用该锭型，只需扒皮一次就可以达到铜比的设计要求，相比常规锭型，扒皮7～8次，减少了大量的铜浪费，降低了生产成本，最后成功获得了极低铜比0.6的NbTi/Cu复合线。

实施例5

将铜管2坯料精加工至外径为Φ217mm、壁厚为14.6mm、长度为560mm。

将铜棒坯料精加工至铜上盖1厚度为40mm、铜下盖3厚度为35mm，铜上盖1和铜下盖3嵌入筒体中的第一凸缘11和第二凸缘31均为10mm。

将铌板卷绕成外径为Φ190mm的铌筒4，将铜包套筒体、铜上盖1、铜下盖3采用20～50％的硝酸水溶液进行酸洗。

铌钛棒5和铌筒4酸洗采用10～40％的硝酸和氢氟酸混合水溶液酸洗，将酸洗之后的铌筒4套在铌钛棒5的表面，然后将铜管2轻轻的套在铌筒4外边，采用工装将铌钛棒5和铌筒4向上提拉10mm，将组装后的包套放平，同时将铜上盖1和铜下盖3嵌入铜包套两端。

然后将NbTi/Cu单芯棒进行多道次冷拉拔加工，拉拔速度为15m/min，每道次拉拔加工率为20％，NbTi/Cu单芯棒在扒皮之前铜比为0.34，铜皮厚度4.4mm，将单芯棒从Φ58.18mm扒皮至Φ57.74mm，扒皮单边厚度为0.22mm，接着继续扒皮一次，由Φ57.74mm扒皮至Φ57.3mm，扒皮单边厚度仍为0.22mm，通过两次扒皮铜比满足设计铜比0.3的要求，最后将NbTi/Cu单芯棒成型拉伸至H6.96mm，并对其定尺切断，获得H6.96mm、长度为4120mm、铜比为0.3的NbTi/Cu单芯棒若干。

将55支低铜比单芯棒采用穿管法进行二次复合线组装，经过冷拉拔加工和4次时效热处理，最终获得了55芯、Φ0.72mm、铜比1.0NbTi/Cu复合线，穿管复合线在拉伸过程中无断线，涡流探伤无异常，复合线芯丝变形良好，S/D仅0.0832，Jc(4.2K，5T)高达3390A/mm2。

采用该极低铜比NbTi/Cu单芯棒的加工方法，相比采用常规设计的加工方法，一方面可以获得极低S/D、芯丝变形良好的高性能复合线材，再者采用该锭型，只需扒皮一到两次就可以达到铜比的设计要求，最后成功获得了铜比1.0的NbTi/Cu复合线。

本实施例，通过减少单芯棒的铜比，减小铜包套的厚度解决了现有NbTi/Cu复合线铜比较高、S/D较大、芯丝变形差的问题，单芯锭扒皮一到两次即可获得铜比小于0.3的NbTi/Cu单芯棒。

极低铜比单芯棒用于穿管法和组装法复合线中，拉伸性能良好，最终获得了极低S/D、芯丝变形均匀、性能较高的极低铜比复合线材。

Claims

1.一种NbTi/Cu单芯棒，其特征在于，所述该单芯棒包括铜管(2)、铜上盖(1)、铜下盖(3)、铌筒(4)以及铌钛棒(5)；

所述铌筒(4)位于铜管(2)内，所述铌筒(4)的外壁与铜管(2)的内壁焊接；

所述铌钛棒(5)位于铌筒(4)内，所述铌钛棒(5)的外壁与铌筒(4)内壁焊接；

所述铜管(2)的一端与铜上盖(1)焊接，所述铜管(2)的另一端与铜下盖(3)焊接；

所述铜管(2)的外径为Φ150～Φ270mm、壁厚为8～20mm以及长度为400～900mm；

所述铜上盖(1)和铜下盖(3)的长度分别为30～80mm；

所述铌筒(4)的外径为Φ130～Φ250mm。

2.根据权利要求1所述的一种NbTi/Cu单芯棒，其特征在于，所述铜上盖(1)的底部设置有用于嵌入到铜管(2)内的第一凸缘(11)。

3.根据权利要求1所述的一种NbTi/Cu单芯棒，其特征在于，所述铜下盖(3)的顶部设置有用于嵌入到铜管(2)内的第二凸缘(31)。

4.根据权利要求1所述的一种NbTi/Cu单芯棒，其特征在于，所述铜管(2)的内壁与铌筒(4)外壁之间的间隙设置在1～3mm；

所述铌筒(4)的内壁与铌钛棒(5)的外壁之间的间隙设置在1～3mm。

5.一种NbTi/Cu单芯棒的加工方法，其特征在于，所述该加工方法具体包括以下步骤：

S1：将铜管(2)坯料加工成外径为Φ150～Φ270mm、壁厚为8～20mm、长度为400～900mm的铜管(2)；

将铜棒坯料加工成外径为Φ150～Φ270mm、长度为30～80mm的铜上盖(1)和铜下盖(3)；

将厚度为1～2mm、长度为300～800mm的铌板在卷筒机上卷成外径为Φ130～Φ250mm的铌筒(4)；

然后将铜管(2)、铜上盖(1)、铜下盖(3)、铌筒(4)以及铌钛棒(5)进行酸洗；

S2：将S1中酸洗干净的铜管(2)、铜上盖(1)、铜下盖(3)、铌筒(4)以及铌钛棒(5)进行组装形成NbTi/Cu单芯包套；

6.根据权利要求5所述的一种NbTi/Cu单芯棒的加工方法，其特征在于，所述S3中真空电子束焊接时真空度控制在10^-3～10^-6mbar，焊接电流为50～150mA，聚焦电流为4000～7000mA，焊接速度为90～160°/min。

7.根据权利要求5所述的一种NbTi/Cu单芯棒的加工方法，其特征在于，所述S4中NbTi/Cu单芯包套的挤压比为5～20，长径比为2～7，挤压温度在700～800℃，挤压速度为20～60mm/s。

8.根据权利要求5所述的一种NbTi/Cu单芯棒的加工方法，其特征在于，所述S5中NbTi/Cu单芯棒的拉拔速度为10～20m/min，每道次拉拔加工率为10～30％，扒皮速度为5～15m/min。